帶中性線低壓供電系統(tǒng)的三次諧波及濾波

PAGEPAGE9帶中性線低壓供電系統(tǒng)的三次諧波及濾波摘要三次諧波污染主要存在于低壓配電網(wǎng)中，以建筑系統(tǒng)最為嚴(yán)重。其對(duì)電網(wǎng)的危害主要有：功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、接地保護(hù)功能失常、遙控功能失常、電網(wǎng)過熱等；對(duì)配電站會(huì)造成電子器件誤動(dòng)作、電容器損壞、附加磁場(chǎng)、中性線過載和電纜著火。文章主要介紹了消除三次諧波的各種方法及性能比較。關(guān)鍵詞三次諧波濾波濾波器１三次諧波源輸電及配電系統(tǒng)規(guī)定：在頻率恒定情況下，電壓和電流均以正弦波波形運(yùn)行。然而在非線性負(fù)荷接入系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)生的附加的諧波電流會(huì)引起電流和電壓畸變。產(chǎn)生三次諧波的非線性單相負(fù)荷主要有（不考慮暫態(tài)及非正常工作狀態(tài)）：（１）熒光燈、節(jié)能燈及其鎮(zhèn)流器；①市場(chǎng)調(diào)查表明，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)絕大多數(shù)的熒光燈電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量高達(dá)８０％～９０％；②高檔的電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量分三種標(biāo)準(zhǔn)：Ｌ標(biāo)準(zhǔn)：其諧波電流含量＜３７％；Ｈ標(biāo)準(zhǔn)：其諧波電流含量＜３０％；帶燈絲預(yù)熱控制的電子鎮(zhèn)流器其諧波電流含量＜１０％。市場(chǎng)上的商品實(shí)際上達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；③節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ＴＨＤＩ＜２０％，其中三次諧波電流含量占主要成分。（２）電弧焊接設(shè)備（電弧的非線性類負(fù)荷）；（３）計(jì)算機(jī)開關(guān)型電源及顯示器（大型顯示屏幕）；（４）彩色電視機(jī)及監(jiān)視器，如證券公司、體育場(chǎng)館、商業(yè)中心和新聞中心的電視墻的顯示幕墻。普通型彩色電視機(jī)ＴＨＤＩ可達(dá)１２７％，三次諧波電流含量高達(dá)９０％；（５）晶閘管調(diào)壓電源（如加熱器、調(diào)光器、電化學(xué)電源等）；（６）晶閘管調(diào)功電源（如加熱器、電化學(xué)電源等）；（７）整流電源（如電器的工作電源、充電器、直流傳動(dòng)及電化學(xué)電源等）；（８）開關(guān)型穩(wěn)壓電源及ＵＰＳ；（９）變頻器（ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ及ＡＣ－ＡＣ型）。①變頻的家用電器，如空調(diào)、洗衣機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、微波爐；②工業(yè)及建筑用的調(diào)速電動(dòng)機(jī)；③中頻電源。２三次諧波的影響各次諧波在電路中的作用是不相同的，諧波的疊加與相序有關(guān)。同一電路中的某些諧波相互作用時(shí)，會(huì)相互減弱或相互抵消。但在更多的場(chǎng)合往往相互疊加，使波形發(fā)生明顯的畸變。只有３次諧波出現(xiàn)時(shí)，波形才如圖１所示（忽略，詳見本期雜志）；相線與中性線之間的非線性負(fù)荷產(chǎn)生三次諧波電流，并在中性線進(jìn)行疊加。由于三次諧波及其倍數(shù)次諧波呈零序特征，因此中性線上的三次諧波電流是三相中三次諧波電流的代數(shù)和，會(huì)引起過載風(fēng)險(xiǎn)使所有的諧波電流造成電流和電壓畸變，還形成１５０Ｈｚ的電磁場(chǎng)，對(duì)其周圍的電子控制、保護(hù)及通信設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，主要表現(xiàn)為：（１）因?yàn)槿沃C波的零序性，低壓母線上的三次諧波電壓主要與中性線的三次諧波電流有關(guān)；①當(dāng)變壓器接法為Ｙ－Ｙｎ０時(shí)，零序性的三次諧波電流將成為勵(lì)磁電流，在此零序勵(lì)磁電抗上產(chǎn)生較大的壓降，即三次諧波電壓，很容易造成低壓母線上的電壓總畸變率超標(biāo)；②當(dāng)變壓器接法為△－Ｙｎ０時(shí)，１０ｋＶ側(cè)的變壓器繞組形成三次諧波電流流通的回路，該回路阻抗為變壓器漏抗，遠(yuǎn)較零序勵(lì)磁阻抗小為２０倍左右，從而不會(huì)在低壓母線產(chǎn)生很大的三次諧波電壓，見圖２（忽略，詳見本期雜志）；（２）如果低壓三相的三次諧波電流不平衡，則存在正序和負(fù)序的三次諧波分量：①如果配電變壓器為Ｙ－Ｙｎ０接線，低壓側(cè)正序和負(fù)序的三次諧波電流會(huì)在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出三次諧波電壓，對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生影響；②如果配電變壓器為△－Ｙｎ１１接線，低壓側(cè)正序和負(fù)序的三次諧波電流在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出的三次諧波電流在△繞組形成環(huán)流，對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生的三次諧波影響要比變壓器為Ｙ－Ｙｎ０接線時(shí)小，但增加了變壓器高壓繞組的損耗。（３）由于中性線中三相負(fù)荷不平衡引起的工頻電流和三次諧波電流的疊加有可能大于相電流，當(dāng)三相的三次諧波平衡時(shí)，由于Ｙ－Ｙｎ０接線的變壓器鐵芯中零序的三次諧波無通路，磁通只能經(jīng)鐵心、空氣和外殼等構(gòu)成回路，產(chǎn)生附加損耗和局部過熱；而在Ｙ－Ｙｎ１１接線中，△繞組為三次諧波電流提供通路，它所產(chǎn)生的三次諧波磁通將抵消鐵芯中的原三次諧波磁通，從而使鐵心中的合成磁通基本上呈正弦波，減少了附加損耗，但諧波電流的存在使Ｋ因子因諧波發(fā)熱而降低變壓器輸送能力，正常值為１．０和電流波峰系數(shù)增大，造成供電變壓器的利用率下降或過載；（４）由于中性線中電流過大，使配電系統(tǒng)中性線的電纜、導(dǎo)線出現(xiàn)過負(fù)荷引起絕緣老化加速，增加了火災(zāi)隱患。主要原因有：①國(guó)內(nèi)普遍選取中性線導(dǎo)體的截面積是相線的５０％；②已運(yùn)行的許多按老標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的３３％；③已運(yùn)行的許多按新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的５０％；④中性線與相線導(dǎo)體選取相同截面積，無論工程設(shè)計(jì)、材料制造、安裝、投入使用所占的比例都很小。（５）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統(tǒng)中其他設(shè)備和材料的損耗，引起附加發(fā)熱、加速絕緣老化、減少使用壽命；（６）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統(tǒng)中設(shè)備和材料的振動(dòng)和噪音；（７）由于電流和電壓畸變，使無功補(bǔ)償電容器組由于并聯(lián)諧振而損壞，電動(dòng)機(jī)等繞組類設(shè)備絕緣擊穿而損壞；（８）電流和電壓畸變及１５０Ｈｚ電磁場(chǎng)：引起測(cè)量精確度異常，對(duì)控制所需要的同步信號(hào)的捕捉與鎖相條件惡化、干擾增加，從而使電子控制、測(cè)量、保護(hù)及通信設(shè)備運(yùn)行不正常；（９）對(duì)用ＵＰＳ供電的廣播電視節(jié)目錄制及播放系統(tǒng)產(chǎn)生附加背景噪聲，并損壞ＵＰＳ設(shè)備；（１０）使照明光源閃爍而損壞；圖像顯示設(shè)備頻閃，顯示失真；（１１）三次諧波電流對(duì)其他設(shè)備和器材的負(fù)面影響要大于其對(duì)產(chǎn)生三次諧波電流的諧波源的影響。３三次諧波濾波濾波器與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法尤其適用于非線性負(fù)荷的供電點(diǎn)集中、又與線性負(fù)荷共由一個(gè)變壓器供電的情況。如果三次諧波電流引起的三次諧波電壓畸變及變壓器過載是主要問題建議在主電源配電柜裝設(shè)濾波器。目前，工程中對(duì)帶中性線低壓供電系統(tǒng)降低三次諧波的方式主要有４種：（１）被動(dòng)式并聯(lián)型濾波器（可以廣泛使用）；（２）被動(dòng)式串聯(lián)型的濾波器（由于使低壓母線上的諧波電壓升高，不但不能消除非線性負(fù)荷之間的相互干擾，反而增大了對(duì)線性負(fù)荷的干擾；由于增加了中性線的阻抗，引起配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)靈敏度下降）；（３）帶中性線的有源濾波器；①并聯(lián)型（可以推廣使用）；②串聯(lián)型（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）；③并聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器并聯(lián)使用（可以推廣使用）；④串聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器并聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）；⑤串聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器串聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）。（４）雙Ｚ接線的變壓器利用變壓器原、付邊繞組的曲折接線來消除電源側(cè)諧波對(duì)負(fù)荷的影響和負(fù)荷側(cè)諧波對(duì)電源側(cè)的影響，具有消除諧波的功能。既可以作為供電變壓器也可以作為隔離變壓器，適用于三相式負(fù)荷：①對(duì)單獨(dú)的非線性負(fù)荷單獨(dú)裝設(shè)；②對(duì)集中的非線性負(fù)荷裝設(shè)（不能消除非線性負(fù)荷之間的相互干擾）。３．１被動(dòng)式并聯(lián)型濾波器３．１．１濾波器的構(gòu)成。如圖３所示（忽略，詳見本期雜志）。濾波器由電容器串聯(lián)電抗器構(gòu)成，諧波濾波器產(chǎn)生基波無功功率，以達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)。電抗器的電感值選擇使其對(duì)三次諧波形成很低阻抗的串聯(lián)諧振大部分的諧波電流可被濾除。諧波濾波器通常根據(jù)具體項(xiàng)目的測(cè)量結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)元件組合而成，這樣可以保障以合理的投資獲得最佳的無功功率補(bǔ)償和諧波濾波效果。３．１．２濾波器與供電系統(tǒng)的連接濾波器一次回路與主配電母線或分配電母線經(jīng)帶斷路器或熔斷器的饋線相并聯(lián)。如圖４所示（忽略，詳見本期雜志）。３．１．３濾波器的控制方式。見圖５（忽略，詳見本期雜志）。（１）與常見的補(bǔ)償電容器組一樣，它可以由一臺(tái)功率因數(shù)調(diào)整器、控制電容器專用接觸器、投入和切除；（２）可以根據(jù)中性線中的電流，由外部的電流繼電器控制其投入和切除；（３）濾波器與負(fù)荷控制同步。３．１．４濾波器的保護(hù)方式（１）利用濾波器進(jìn)線前的帶復(fù)式脫扣功能的斷流器；（２）利用濾波器進(jìn)線前的熔斷器；（３）濾波器柜內(nèi)的過電壓、過負(fù)荷繼電保護(hù)；（４）低壓金屬化全膜電容器的內(nèi)附熔絲保護(hù)。３．１．５確定濾波器所需要的數(shù)據(jù)（１）中性線或相線中的三次諧波電流；（２）濾波器接入點(diǎn)的電壓畸變（相對(duì)中性線）；（３）需要的無功補(bǔ)償功率；（４）變壓器的容量（Ｓ／ｋＶＡ）及短路阻抗百分比（Ｚｋ％）；（５）安裝地點(diǎn)（主配電柜或分配電柜）。３．２被動(dòng)式串聯(lián)型的濾波器３．２．１濾波器的構(gòu)成濾波器由電容器并聯(lián)電抗器構(gòu)成，然后串聯(lián)在供電系統(tǒng)的中性線上。如圖６所示（忽略，詳見本期雜志）。電容器電容與電抗器電感值的選擇：（１）對(duì)５０Ｈｚ工頻形成很低阻抗的串聯(lián)諧振，以利于三相不平衡負(fù)荷引起的負(fù)序工頻電流在中性線和串接的濾波器中無障礙流通；（２）對(duì)１５０Ｈｚ三次諧波形成很高阻抗的串聯(lián)諧振，以阻礙單相非線性負(fù)荷產(chǎn)生的電流源性質(zhì)的三次諧波電流在中性線上流通，其結(jié)果是絕大部分的三次諧波電流被阻斷。３．２．２濾波器與供電系統(tǒng)的連接濾波器一次回路與配電系統(tǒng)的中性線相串連。３．２．３濾波器的控制方式通過旁路開關(guān)和旁路接觸器手動(dòng)投入或切除。３．２．４濾波器的保護(hù)方式利用綜合的檢測(cè)與保護(hù)通過旁路開關(guān)以實(shí)現(xiàn)下列要求：（１）防止不平衡工頻電流在濾波器兩端引起的過電壓；（２）防止三次諧波電流過載；（３）供電系統(tǒng)內(nèi)部故障；（４）濾波器故障。３．２．５確定濾波器所需要的數(shù)據(jù)（１）中性線或相線中的三次諧波電流；（２）中性線中的最大工頻電流；（３）變壓器的容量（Ｓ／ｋＶＡ）及短路阻抗百分比（Ｚｋ％）；（４）配電系統(tǒng)的接線方式；（５）安裝位置的環(huán)境要求。３．３三相四線式的并聯(lián)型有源濾波器。見圖７（忽略，詳見本期雜志）。并聯(lián)型有源濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控的快速反應(yīng)的諧波電流源，與非線性負(fù)荷并聯(lián)，自動(dòng)檢測(cè)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流及濾波器與系統(tǒng)連接點(diǎn)的電壓畸變。經(jīng)ＤＳＰ產(chǎn)生的控制信號(hào)控制ＩＧＢＴ高速開關(guān)器件，既將儲(chǔ)能的直流電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)換成一系列的方波再經(jīng)過輸出電抗器輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補(bǔ)償諧波的作用，同時(shí)又控制直流電容器上的充電電壓。其結(jié)果是系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基波電流。每一種并聯(lián)型有源濾波器均有三相三線和三相四線可供選擇，帶中性線的設(shè)備必須使用三相四線式，且用戶應(yīng)注意中性線上的電流是１倍、２倍還是３倍的相線電流。４．目前適用的三次諧波濾波方式的對(duì)比４．１被動(dòng)式并聯(lián)型三次濾波器4.1.1特點(diǎn)（１）可以補(bǔ)償無功功率（功率因數(shù)），同時(shí)可以濾波；（２）可以降低諧波電流和諧波電壓，減少非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響；（３）只需考慮無功功率和諧波濾波，不受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠；（４）可以對(duì)單個(gè)非線性負(fù)荷、集中非線性負(fù)荷、變壓器總供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置靈活多樣；（５）控制方式靈活多樣，投切不影響供電系統(tǒng)的安全性；（６）濾波器元件的運(yùn)行參數(shù)范圍明確，內(nèi)部故障保護(hù)方式成熟、可靠、簡(jiǎn)單，不影響供電系統(tǒng)正常運(yùn)行；（７）可以和其他被動(dòng)式濾波器和有源型濾波器配合使用。４．１．２適用范圍帶中性線的低壓供電系統(tǒng)的三次諧波濾波和功率因數(shù)補(bǔ)償４．２被動(dòng)式串聯(lián)型三次濾波器４．２．１特點(diǎn)（１）可以對(duì)諧波電流進(jìn)行濾波；（２）可以降低諧波電流，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響理。論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試均證明串聯(lián)型濾波器增大了低壓母線上的諧波電壓，因此增大了非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾。同時(shí)由于諧波電流的阻斷和諧波電壓的升高，對(duì)于絕大多數(shù)產(chǎn)生三次諧波電流的諧波電流源性質(zhì)的非線性負(fù)荷，會(huì)影響其正常工作；（３）不但要考慮諧波、濾波，還要考慮中性線上的不平衡工頻電流受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，由于增加了中性線的阻抗引起配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)裝置的靈敏度下降，中性線的安全直接涉及到供電系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，但運(yùn)行安全可靠性低，屬于被動(dòng)式三次諧波濾波器初始的方案；（４）可以對(duì)集中的非線性負(fù)荷、變壓器總的供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置不靈活；（５）控制方式不靈活，投切影響供電系統(tǒng)的安全性；（６）濾波器元件的運(yùn)行參數(shù)范圍由于并聯(lián)振蕩不明確，內(nèi)部故障保護(hù)方式可靠性差，影響供電系統(tǒng)正常運(yùn)行；（７）可以和其他被動(dòng)式濾波器和有源型濾波器配合使用。４．２．２適用范圍理論和測(cè)試數(shù)據(jù)充分證明了其安全可靠性和負(fù)面影響，在工程中慎重考慮其大量使用。４．３三相四線式并聯(lián)型有源濾波器（三相三線式不可使用）４．３．１特點(diǎn)（１）自適應(yīng)濾波，同時(shí)補(bǔ)償無功功率（功率因數(shù)）；（２）可以降低諧波電流和諧波電壓，減少非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響；（３）只需考慮