建筑中存在谐波时现代配电系统的设计考虑

1、毕业设计外文文献翻译建筑中存在谐波时现代配电系统的设计考虑design considerations of modern power distribution systems in bulidings with harmonics院 系：电子与电气工程系年级专业：电气工程及其自动化姓 名：学 号：【摘要】：随着非线性负载越来越广泛的应用，在建筑系统中与谐波相关的安全问题和损耗将会越来越严重。在配电系统中，高频电流和相位不平衡会导致安全问题，过热和在导体，转换器、电动机中产生更多的电能损耗，和其他一系列的设备问题。通常用电缆上将计算来说明谐波电流的影响。这篇文章主要论述了再考虑有谐波造成的所有不

2、利影响下设计现代配电系统、解释了谐波和相位不平衡的来源和影响。【关键词】：电源效率，配电、谐波、功率质量1引言 在配电系统中考虑能源效率，谐波失真和不平衡是电能质量的两个主要因素。由于肌肤和邻近效应，谐波电流在导体中产生额外的热量，从而加速电缆绝缘的损坏。谐波电流也会对其它设备产生有害影响。在三相供电系统中相位不平衡会产生负序电压/电流分量，这使得在导体，转换器和电动机中损失更多的功率。 对于电气系统设计者来说，完全了解谐波和相位不平衡的来源和影响，这一点很重要，并且要设计合适的配电系统来最小化他们可能得影响。运营管理人员掌握同样的知识也是相当重要的。通常，在使用建筑物若干年后，电能质量问题才

3、出现，并且喝多电气设备的损坏要归因于电能质量问题。2谐波失真2.1 电流最大总谐波失真的条件 能源，电气安装规范6.1条规定：任何电路电流的总谐波失真不应超过表1中的数据 总谐波失真电流定义为thd=式中是谐波电流的均方根电流，是基波电流的均方根2.2 在办公建筑中的情况 正常情况下，在香港，在一个共同的电气耦合点，总谐波市政率是在5%以内的，但是在一些商业高层建筑中，总谐波失真超过10%也是常见的图一，显示了一个配有个人计算机和其他办公设备的一个典型办公楼层用三相四线供电系统得出得到电流波形。图一2.3 在建筑中谐波的来源 在商业建筑中的谐波问题主要是越来越多非线性负载的使用。比如说速电机的

4、驱动，直流电源整流装置，和计算机中的开关模式电源和其他的电子办公设备。图2显示，在总谐波失真率130%下计算机的电流波形。图2 另一个例子是电视机。图3显示，在总谐波失真率超过100%时，一个电视机的电流波形。图三图四，给出带有pwm转换器的单相变速装置的电流波形，相关数据有： =100a， =70a， =50a， =14a， =87% 现在电子器件趋向于分布在建筑中不同的电路末端和插座中而不是集中在某一个区域，因此谐波和损耗会发生在配电系统的各个方面。 非线性负载的末端谐波失真很严重，但是在系统中的分点上连接上线性电阻能够使失真得到减轻。考虑到这个原因，当检测谐波时要仔细考虑测量点的选择。2

5、.4 谐波在配电系统中的影响2.4.1 对中性导体的影响 三次谐波是最突出的分量，使得配电系统中产生很高的零序电流。高中性电流会在中性导体中产生额外的能量损失和过流情况。除非在设计阶段加以特别的考虑，在中性导体电压降时随后会产生不期望的很高的对地电压，低于名义上的中性线电压。 有些声明说如果接地系统不好，高中性对地电压会影响电子装备和本地网络2.4.2 对电缆损失的影响 对于在建筑中的电缆，主要电能损失的分量是,在谐波下i和r都会增加，包括谐波在内的总均方根电流定义为：=高失真的相位电流（=100a，=50a，=30a，=15a，thd=60%）和高中性电流值的注意，把等式(1)和等式（2）进

6、行整理得总均方根电流的另一种形式为= （3）方程（3）说明，在没有谐波的情况下，总均方根电流和基波电流的值是一样的。对于图2在130%thd的计算机电流来说，总均方根电流比基波电流高约64%对于一个导体，它的交流电阻会高于直流电阻，直流电阻和交流电阻比例，定义为=1+，式中是由肌肤效应引起的电阻增益，是由临近效应引起的电阻增益。多芯电缆由于肌肤和临近效应使得的电阻增加能够通过使用iec287-h中的公式和信息来估算。图五显示了在建筑配电系统中常见的是三种不同的电缆在有频率下电阻的变化情况。2.4.3 对变压器损耗的影响 谐波使得变压器产生更多的损耗。 变压器损耗包括空载损耗和负载损耗。随着负载

7、电流变化的负载损耗，可以分成和偏离损耗。偏离损耗是由在变压器的铁芯和铁芯柱和磁场产生的，在高频的负载电流中，在绕组中的涡流损失是偏离损耗的主要部分。=+在非线性电阻电流中可以写成=，式中是谐波电流均方根，是在谐波频率下绕组的阻抗。涡流损耗可以由下式计算：=，式中是在基频下的涡流损耗。2.4.4 对建筑中其他电气设备的影响 电路保护装置，个人计算机，电动机，电容器，继电器等其他设备也会受到谐波的影响。对这些装置主要的谐波影响包括性能恶化，损耗和发热的增加（如电动机），寿命更短，电磁干扰和可能产生的共振。在这个频率范围内的一个小的谐波电流就会产生一个很高而且不期望得到的谐波电压。在这种情况下就要减

8、少电容器并联而采用串联电容器。3 相位不平衡3.1 电流不平衡的条件 规范第6.2条要求，在三相四线制电气安装中的所有单相负载应该完全并且合理的分配在哥相中，特别是这些有非线性特性的负载。根据规范，最大电流不平衡不应该超过10%，电流不平衡百分比由下式定义：=（100id）/，式中是不平衡电流百分比id是与平均值相差最大的电流值是三相平均电流3.2在配电系统中相位不平衡的影响 不同特性的单相负载加上三相供电系统的电能损耗会导致在三相中不平衡电流的流动和不平衡相电压。不平衡电流对配电系统的不利影响包括：在中性导体中额外电能损失和电压降低在配电系统中引起电压不平衡感应电动机过热对在建筑中的敏感设备

9、产生过量的电磁干扰在电气测量上有更多的误差3.2.1 对中性导体的影响图6显示了三相四线配电系统中带有100a的平均相位电流和10%的不平衡电流，这种不平衡产生了17a的中性电流和将近1%的铜损。3.2.2 对交流电动机的影响 不平衡电流对三相感应电动机的不利影响实际上是由于不平衡电压是正序分量和相反的负序分量组成的。正序分量会产生一个期望得到的向前距，相反，在三相电动机的终端的负序电压会产生磁场流，这个磁场流会使电动机往相反方向旋转。这样，在接近同步的速度下，处在转子里的电压和电流有着线频率两倍的速度。负序电压的产生会影响到转矩。定子和转子的铜损，铁损会使机器过热。随着电压不平衡数量的增加，

10、正序电压降低，负序电压分量增加。这两个的改变都会对电动机的运行产生不利的影响。正序电压和负序电压分量，可以由方程（9）和（10）中的对称分量关系来计算=式中，分别表示红，黄，蓝三相，其中4 带有谐波的电力系统电路设计4.1 传统电缆的选择方式 大部分电气工程师是在假设配电系统中电压和电流是正炫并且完全对称的情况下进行设计的。对于传统电缆的选择在一个电路中，电路设计电流，装置保护电流和电缆电容器有效携带电流，必须遵守以下条件：电缆电容器有效携带电流按下式计算：式中：是bs7671附录4表中的数据是周围环境校正系数是分组系数是热绝缘校正系数。4.2 电能效率与导线的选择 以电能效率来选择导线需要基

11、于规范上规定的最大铜损条件来计算最大允许的传导电阻。对于三相四线制电阻（假设平衡，线性或不线性）导体上传输的有功功率为p= （12）导体中的铜损为：= 式中：是线电压是安培电路的设计电流是安培电路中的基准电流是安培电路中的中性电流是电路的功率因素r是在导体运行温度下，每个导体每米的交流电阻l是指电缆长度铜损对于总有功功率传输的百分比 %铜损= （14）因此，最大r=规范中表4.2a和4.2b中提供了能够快速初始估计所需电缆型号的传导电阻值，根据在香港正常的电缆型号和安装方法。5 样本计算5.1 在负载变化情况下，三相四线制电路的铜损 图8的直方图显示在周围30度，一个专用电缆桥架上一条次主回路

12、40米长和25平方毫米4芯pvc/swa/pvc电缆.运用上面描述的计算方法,在变化负载的情况下导体总的电能损失总结在表2表2表明一个为相位平衡和线性负载情况而设计的三相四线制电路会遭受到过量的导体温度，如果在电路中发生不平衡和谐波就会变得不安全和能源低效。5.2 选择电缆的传统方法和能源效率法 上述25平方毫米的电缆是用传统方法选择的能源效率方法会使得所选电缆型号稍大，通过把电能损耗限制在15%，最小的导体型号需求是35表3.使用传统和能源效率方法来选择电缆6 谐波的存在 在谐波产生源消除谐波是最有效的方法，然而这会使得安装许多小型的滤波器而不是少量的大型滤波器。 放置滤波器的一个好地方是在

13、几个失真电流的汇合处，比如说输送给一些变速装置的电机控制中心。 在检修入口谐波上流的补偿或在主要开关板上对减少谐波相关的损失作用很小，通常在主要lv开关板上安装电容器来提高功率因素的做法应当重新考虑。传统的电容器不要于校正由谐波引起的很低的总功率因素。电容器会充当成谐波池会被流过它的高频谐波和共振电流破坏。 依据规范上的特别规定有功滤波器，调整器或者宽带被动过滤器和谐波取消变压器应该用来解决现在和未来的谐波问题。 在香港建筑中，必须投入更多的相关措施和这些技术的经费。随着要求在设备终端消除谐波的准则比如说iec标准1000-3-2的出台，许多电子设备制造商在寻找一条在他们产品内减少谐波的有效花

14、费的方法。对一些在香港的知名品牌如电子镇流器出售的测试发现在内置谐波过滤器后他们的thd电流少于5%。 对于节能装置比如说紧凑型节能灯、电子镇流器、vsds，vvvf提升驱动装置等，在设计过程中很重要的一点是把谐波问题考虑进去。否则期望中的电能节省会因为在电力系统中额外的谐波损失而降低。7 结束语 随着非线性电阻的日益增加，建筑物中配线系统的谐波问题可能越来越糟糕。电能损失间接的后果可能导致导体和其他设备的过热，使得电费增加，降低配电系统处理设计负载的能力，减少谐波能够节约的能源，使得系统对负载有足够可用的容量。 用电能效率这种方法来衡量配电线路非常重要。尽管用电能效率这种方法所选择的导体可能在某种程度上会比用传统方法选择的来得大，这种额外的投资会保证配电系统的安全和性能稳定。在合适的位置安装上谐波过滤器能够达到规范上关于谐波条件的要求。考虑到放置谐波过滤器，使得损失最大的减小的潜能是在谐波产生出的负载旁边安装，在进户线进行补偿没有多大的价值。在设计一栋新的商业建筑配电系统时，要仔细考虑未来谐波的问题，在设计过程中允许一些谐波的存在。 致谢在此对伊犁.马丁在准备这篇文章中提出很有价值的技术表示衷心的感谢。 参考文献1 电气节能安装守则，机电