（电力系统及其自动化专业论文）大功率变频器谐波污染的研究.pdf

r e s e a r c ho f l a r g e - c a p a c i t y 量i 。r e qr e n c v1 n v e r t e rh a r m o n i c s 1 n 一 一一 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f f r e q u e n c yi n v e r t e r s ，l a r g e c a p a c i t y f r e q u e n c yi n v e r t e r sh a v eg r a d u a l l yb e e nu s e di nw a t e rp l a n t s w i t ht h e u s a g eo ff r e q u e n c yi n v e r t e r s , t h ef l o wa n dp r e s s u r ei nw a t e rp l a n t sc a nb e c o n t i n u o u s l yr e g u l a t e d i ti sc o n v e n i e n t b e c a u s et h e c a p a c i t y o fl a r g e c a p a c i t y f r e q u e n c y c o n v e r t e r si s l a r g e ，t h e a f f e c to f f r e q u e n c y c o n v e r t e r sh a r m o n i c si sn o t i c e a b l e h a r m o n i c so fs i xp u l s ea n dt w e l v ep u l s er e t i f i e dc i r c u i t sw e r ee x p o u n d e d w i t l ls c i e n t i f i cm e t h o d so fl o o k i n gu pl i t e r a t u r eo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y & m e a s u r e m e n ta n a l y s i s w e s t u d y h a r m o n i c so f l a r g e - c a p a c i t yf r e q u e n c yc o n v e r t e r si nc h e n g b e iw a t e rp l a n t w em e a s u r e dh a r m o n i c so fl a r g e - c a p a c i t yf r e q u e n c yc o n v e r t e r si n c h e n g b e iw a t e rp l a n t ，t h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o ne x c e e d e d t h es t a n d a r d s o fn m i o n t h dc h a n g e dw i t ht h el o a do fl a r g e c a p a c i t yf r e q u e n c y i n v e r t e r s t h el o a do fl a r g e c a p a c i t yf r e q u e n c yi n v e r t e 懵c h a n g e dw i t ht h e p r e s s u r eo f w a t e rp i p el i n es y s t e mi nt h ec i t y s o l v a b l em e t h o dw a sp u tf o r w a r di ne h e n g b e iw a t e rp l a n t n o wt h d i nl o wv o l t a g es y s t e m si sl o w e rt h a nt h es t a n d a r d so f n m i o n k e yw o r d s ：h a r m o n i c s f r e q u e n c yc o n v e r t e r a c t i v ep o w e rf i l t e r w a t e rp l a n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：二j 磁垒簦日期：露田：篮彩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：二盈垒垂 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 随着电力电子技术的发展及其产品应用的日益广泛，冲击性、非线性负荷容量的 不断增长，导致电网电压、电流波形畸变，电压波动与闪变，以及三相电压不平衡等 电能质量问题日益严重这些电能问题的严重程度成了评定电能质量的重要指标，也 是电力系统所采取的补偿方法、调节装置和技术措施的关键依据。 1 。1 大功率变频器谐波污染研究的目的和意义 电能问题对电力系统和用户都十分重要，因而引起了r 。泛的关注。随着现代工业 技术的发展，各种非线性和时变性电子装置( 如各种逆变器、整流器、开关电源) 大 规模地应用，向电网中注入了大量的谐波，导致交流电网中电压和电流波形的严重失 真。电力电子装置逐步替代了传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为最 主要的谐波源”“。随着国民经济的高速发展和人民生活水平的日益提高，整个社会对 供电数量和质量的要求也越来越高。这些问题的有效解决，不仅可以保证。c 厂生产及 电力系统的正常、安全、高效运行，而且对国民经济持续、稳定、高速地发展也有深 远的意义。 1 1 1 电能质量问题 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备( 如整流器、变频调速装置、电 气化铁路) 以及绕组负荷( 如电弧炉，电机、变压器等) 的不断增加。由于这些负荷的非 线性、开关性、不平衡等用电特性，使得电网中的谐波、三相电压不平衡、闪变也日 趋加重“3 1 。另外线路中的电动机、变压嚣等一系列储能性负荷的增加，消耗大量的 无功功率。这些电能闯题不仅污染供电质量，影响线路上电气设备的正常工作，而且 还会产生大量的线路损耗、甚至引起线路过载事故。 在理想状态下，一个三相电力系统运行时，它应该以额定电压、额定频率和相位 向用户供电，电压和电流波形是标准的正弦波，电压可以表示为： 帮。( f ) = , e us i n ( a t + 口) u k t ) = , 2 vs i n ( a t + 口一2 石，3 1 ( 1 1 ) “c ( f ) = 4 2 vs i n ( t o t + 口+ 2 石3 ) 仃 式中u 为电压有效值；口为初相角 出为角频率，= 2 矿= 等；f 为频搴；t 为周期。 在电网实际中，由于系统电源存在内阻和线路存在阻抗、以及负荷是不断变化的， 导致电力系统的频率和电压也会出现波动。另外，电压和电流的三相不对称不平衡状 况，波形畸变的程度以及负荷剧交造成的电压闲变等问题也会使得三相电力线路上 的电压电流波形无法保持标准上e 弦波，并将影响电力系统的稳定运行。例如：正弦波 施加在线性无源元件( 如纯阻性网络) 上，其电流和电压成比例，仍为同频率的正弦 东南大学工程硕士学位论文 波。但当正弦波电压施加在非线性负载( 如开关性电路) 上时，电流就变成非正弦波 实际三相电力网中畸变波形主要由各种变流装置、具有磁饱和特性的装置以及非线性 不平衡电路等产生。非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压波形的畸变， 称为谐波源。 衡量电力系统中畸变谐波问题的程度。常用以卜- 几个量来表示。 月次谐波电流含有率：脚。= 争x l o o ( 1 - 2 ) 口次谐波电压含有率：舰以= 百u n l 。 “= 辱 = 历 电流谐波总畸变率：t h d j = 等1 0 。 电压谐波总畸变率：t h d 。= 鲁x 1 0 慨 对于对称的三相电路，设a 相电压所含的n 次谐波为： 1 j a n = 压吮s i n ( n e a t + ) 则b 、c 相电压所含的口次谐波电压分别为： = , - 2 us i n n ( c o t 一2 z 3 ) + 0 1 “。= u t - 2 u s i u n ( c o t + 2 ，r 3 ) + o ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 - 7 l 当n - - - 3 k ( k 为自然数) 时，则三相电压的n 次谐波大小和相位均相同。为零序谐波； 当n ：3 k + l ( k 为自然数) 时，则三相电压的n 次谐波按c 、a 、b 的顺序，相位差为2 万3 ， 为正序谐波；当n - = + j k - i ( k 为自然数) 时，则三相电压的n 次谐波按b 、a 、c 的顺序。 相位差为2 z 3 ，为负序谐波。 对各相电流来说，在三相三线电路中，没有零序电流通道，因而电流中没有零序 谐波，而三相四线电路中，零序谐波电流可以从中性线中流过对称的三相电路的谐 波也是三相对称的。 电力系统的畸变谐波源主要是一些具有非线性伏安特性的输配电和用电设备，包 括各种换流装置、电子电压调整设备、电焊机、电弧炉、感应炉、变压器、旋转电机 以及现代工业设备为节能和控制使用的各种电力电子设备，还有各种家用电器和照明 设备等。 2 一 哪 1 ( 第一章绪论 1 1 2 谐波污染的危害与影响 谐波污染使得三相电源系统增加了畸变的电压和电流，不仅消耗电力系统的无功 功率储备，而且： 1 ) 增加设备容量。额外的畸变电压和电流，导致视在功率增大，从而使设备额定 容量、相应的测控和保护装簧的额定容量也相应增加。 2 ) 增加设备和线路损耗。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面 增加了输电线路上的电流有效值，使得线路的损耗增加，功率因数降低，使电网和设 备的效率降低。 3 ) 线路压降增大。由于线路阻抗的存在。大量的无功龟流注入电网会引起线路压 降增大，电网节点电压下降。 4 ) 各种畸变波形的冲击会导致继电器保护和自动装置误动作；影响电气设备的正 常工作谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。 当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字缝电器容易产生误差。零序三次谐 波电流过大，可能引起接地保护误动作”当装置动作于电压或电流信号时，尚未达 到整定动作值的基波分量有可能和较大谐波分量叠加，形成的综合动作值可能超过动 作值而导致误动作。 5 ) 高次谐波会对邻近通信系统产生干扰；影响电能的准确计量。 1 1 3 谐波治理的方法 现代高科技电气产品不断涌现与普及，焉要“绿色。电源的支撑”，国家标 准g b t 1 4 5 4 9 - 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压允许 波动和闪变等对电能质量也作了详细规定”1 。电能质量问题成了现代电力系统中首 要解决的问题。人们提出并实现了许多有源滤波与无功补偿的方案“”。 谐波治理的方法主要有三种： 1 ) 受端治理从受到谐波影响的设备或系统着手，提高它们抵抗谐波干扰的能 力 2 ) 主动治理。从谐波源本身着手采取措施降低谐波源产生的谐波含量。 3 ) 被动治理，外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，阻碍电力系统的 谐波流人负载端”。 无源滤波器是目前使用最为广泛的治理措施之一，它成本低、技术成熟、还可补 偿无功功率但它只能对特定次谐波进行滤波而一台有源滤波器理论上可以拥有无 穷多个谐振频率。用一台装置就能完成各次谐波的治理，并且可对多个谐波源进行集 中治理。 随着大功率快速自关断器件技术、微机控制技术、数字信号处理技术的不断进步， 有源滤波技术得到了极大的发展。于2 0 世纪8 0 年代真正进入实用阶段。并联型有源 电力滤波器1 对于谐波抑制、无功功率补偿和中性线电流补偿都有很好的效果，其技 术也相对成熟，已应用于实际两串联型有源电力滤波器对于谐波电压孙偿、电压 平衡和电压闪变的抑制等方面都有不错的表现，但在实际应用中并不多见。 3 查堕查竺三矍堡主兰竺堡苎 1 1 4 水厂谐波污染治理的意义 近年来，变频调速技术得到了长足的发展。目前，大功率变频器已逐渐应用到水 行业一、二泵房的大功率电机上。使用了变频器后，供水水压、流量能得到平滑调节， 方便了水厂生产、城市供水的调度，相对于定速泵而言，其优点是显著的。 由于大功率变频器相对来说容鼍较大，占水厂变压器容量的比重较为显著，对永 厂电网的谐波污染闯题已不容忽视。6 脉冲晶闸管整流电路总的谐波电流失真约为 3 0 ，由于输入谐波高，一般要设置输入谐波滤波器。1 2 脉冲晶闸管整流电路总的谐 波电流失真约为1 0 左右，虽然比6 脉冲结构大大下降，但也不能达到i e e e 5 1 9 1 9 9 2 标准短定的在电阿短路电流小于2 0 倍负载电流时谐波电流失真小于5 的要求“，一 般也要安装谐波滤波装置。 谐波污染可导致继电保护装置、可编程控制器( p l c ) 输出误动作可能造成生 产部分中断高压电容器及办公用电脑等电气设备损坏频繁。 治理谐波污染不仅能减少谐波冲击所造成的设备损坏等直接经济损失，以及导致 减产造成的间接经济损失，而且还能节药能源，提高电能的利用效率 1 2 谐波治理的发展历史、现状及趋势 上世纪七十年代后期，由于电力电子设备的广泛应用，因谐波污染引起的故障和 事故不断发生，谐波问题也引起了人们的日盏关注通过加装滤波装置( 无源滤波器 和有源滤波器) 、对谐波源进行改造使之不产生谐波等方法解决谐波污染问题。 日本学者对有源电力滤波器进行了深入的研究，现已进入了批量实际应用阶段， 有源电力滤波器在欧美国家应用也日趋广泛。 1 9 8 3 年日本a k a g i h 提出“三相电路瞬时无功功率理论”，为有源电力滤波器中 的谐波和无功电流检测技术提供了一个较为完善的理论基础，电能质量补偿方法进入 了有攘控期调节阶段”。 我国对电能质量问题的研究起步较晚，吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 一书是我国有关谐波问题较有影响的著作”夏道止等1 9 9 4 年出版的高压直流输 电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作”“此外唐统一等人和容健纲 等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在国内有较大的影 响。在有源电力滤波器方面，我国同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文 章”，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应厢实验”“，国内的研究基本处在理论及实验室 阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行。 目前，采用多重化技术，西安交通大学己研制出1 2 0 k v a 并联型有源电力滤波器的 试验样机”；由清华大学和河南电力局联合研制开发的我国最大容量的柔性交流输电 装置一一一2 0 m v a r 静止无功发生器( s v g ) ，已于1 9 9 9 年3 月并网成功” 为保证三相电网的供电质量，不仅要加强输电系统的输送能力和运行安全性，提 高配电系统的供电可靠性，而且要抑制和消除各种( 包括来自系统侧和用户侧的) 干 扰对电能质量的影响。近年来，电能质量谓节技术已取得较大的进展”“，象不间断 电源( u p s ) 、动态电压调节器( d v r ) 、有源电力滤波器( a p f ) 、静止无功补偿器( s v c ) 、 固态切换开关( s s t s ) 、统一电能质量控制器( u p o c ) 、静止无功发生器( s v g ) 、分 4 第一章绪论 布式发电系统( v 6 ) 等缚已经正在或即将在生产实际中广泛应用。 1 3 本课题的研究内容 本课题的研究内容，主要是在掌握国内外有关资料的基础上对大功率变频器谐 渡污染理论进行研究，并通过对南京城托尔厂大功率变频器谐渡污染情况进彳亍涌试、 分析比较，制定、实施治理方案。对谐波治理装置投运与断开情况f 的谐波污染情况 进行了对比。本课题的主要内容如下： ( 1 ) 对电力系统谐波问题产生的原因、危害、谐波治理技术的发展现状进行了 筒述。 ( 2 ) 阐述大功率变顿器谐波污染理论。介绍南京城北水厂变配电概况 ( 3 ) 初步测试、分析南京城北水厂大功率变频器谐波污染情况 ( 4 ) 制定，实施南京城北水厂大功率变频器谐波污染治理方案，并对治理效果进 行跟踪测试。 ( 5 ) 根据跟踪测试结果，分析得出结论。 - s 东南大学工程硕士学位论文 第二章大功率变频器谐波污染 电力电子装置是最严重的谐波源，是电力系统中谐波污染的最主要因素电力电 子装置普遍采用二极管、晶闸管等非线性元件，在一定条件下负荷电流波形发生畸变， 产生高次谐波其中，整漉装置所占的比规最大整漉电路是一种将交流龟能转变为直 流电能的变换器，由于交流电力系统是最经济便捷的供电方式，所以大多数电气和电 子装置均采用由交流电网取得电能，然后再转换为对用户而言最方便的电能形式，而 在其中通常采用一个直流储能环节作为两端变流器的接口，而作为前端变流器的交直 流变换器就是整流器”“。 整流电路分为可控和不可控两种，可控整流分为全控和半控整流。不控整流电路元 件由二极管组成，全控整流电路元件由晶闸管或其它可控器件组成，半控整流电路元 件由二极管和晶闸管混台组成。 2 1 变频器谐波 交一直一交变频器的输入整流部分和输出逆变部分都使用了电力电子器件，其开关特 性在变频器器输入和输出端都会产生波形璃变，功率较大的变频器占电网容量的比铡 较大，这种畸变对对供电线路和负载电机都可能造成有害的影响，谐波含量是决定大 功率变频器性能和应用的重要参数。 对电源而言，变频器是一个非线性负载。改变了电力线路中电流的正弦波特性，产 生了高次谐波。谐波电流经过电源内阻的耦合，导致交流电压的波动，从而形成谐波 电压。谐波电压使连接在该电源上的计算机、可编程控制器( p l c ) 等设备受到干扰 当接有电容负载时，有可能和电源电抗形成谐振，当谐振频率接近某个谐波频率时， 会产生很高的谐波电压。必须制定一个统一的标准，使变频器的谐波电流减小到一定 程度，才不会对电路中的其他设备造成有害的影响”。 2 1 i 谐波标准 我国国家标准g b l 2 6 6 8 1 9 9 0 交流电动机半导体变频调速装置总技术条件，中对交 流输入电源规定：电压的稳态相对谐波含量的均方根值不超过1 0 $ 。其中任何奇次谐波 均不超过5 ，任何偶次谐波均不超过z ，短时( 持续时间小于3 0 s ) 出现的任意一次谐 波含量不超过1 0 。 g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波规定了各级电压电网的谐波电压限制 值( 见袭2 1 ) 、并j 户注入电网的谐波电流允许值( 见表2 2 ) - 6 - 第二章大功率变频器谐波污染 表2 一l公h j 屯网谐波电琢( 相电压) 限值 再次谐波电禽育串( ) 电网标称电压k v 电压总谐波畸变牢( ) 奇次 僻次 0 3 85 04 o2 o 6 4 03 2 1 6 1 0 3 s 3 02 41 2 6 6 1 i 02 0 i 6 0 8 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波屯流分避( 方均根值) 不麻超过表2 2 中规定的允许值。 表2 - 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 摹准 谐波次数鹱请波哇王流免许德，a 标准 鲰j 路 电骶 容量z 34557b9l o1 1 1 21 3 1 4l s 1 61 7 1 81 9 2 0 2 12 2 2 32 4 2 5 k v n v a 03 81 07 85 2 3 9 6 2 2 6 4 4i 92 1i 6 2 8 1 3 2 41 11 29 71 88 61 67 8 b 9 7 11 45 51 2 61 0 04 3 3 4 2 i 3 4 i 42 4 i 11 lb 51 67 i1 36 1 6 8 5 31 04 79 0434 9 3 97 4 3 66 8 1 01 0 02 6 2 0 i 3 2 0b51 56 45 85 19 34 3 7 93 74 1 3 26 o 2 85 4 2 6 z 9 z 3 4 s 2 14 1 3 s2 s o1 51 27 7i 2s ，l8 8 3 84 i 3 ，15 62 64 7z z2 5 1 93 61 73 21 5 1 81 4z 71 3 2 5 6 65 0 01 6 1 3b 1i 35 49 34 14 3 3 35 92 7s 0 2 62 6 2 03 81 83 41 61 9 1 ，s2 81 4 z 6 1 1 07 5 01 29 66 09 64 06 8 3 o3 ，2 z 。44 32 0 3 7i 91 91 52 81 3 2 5 1 2 1 4 1 1 z 1 1 o i 9 由于谐波源的多样性和多变性，测量的方法必须根据被测对象有所区别对于负 荷变化快、慢不同的谐波源，测量的时间问隔应作不同选择。为了区别暂态现象和谐 波，根据国际大电网工作会议3 6 0 5 一l 作组的建议，每次测量结果应取3 s 内所测的平均 值1 。 2 1 2 变频器谐波污染 对于三相全控桥式整流电路只含有奇次谐波，只有6 k l ( k 为自然数) 次谐波存 在各次谐波含有率为i h ( h 为谐波次数) 。 7 东南大学工程硕士学位论文 对于三相半控桥式整流电路，其交流侧电流不再是半波对称的，因此还含有偶次 谐波，但因三相对称，故不含有3 倍次谐波。所以除6 k l ( k 为自然数) 次的特征谐波 外，电流中还将有6 k 2 ( k 为自然数) 次非特征谐波存在。 目前在产品中应用的低谐波技术主要有： l 、 采用两个或多个逆变单元并联，通过波形移位叠加，抵消谐波分量。 2 、 在p w m 变频器的输入整流电路中采用1 2 脉波、1 8 脉波或2 4 脉波的整流，以减 小谐波。 3 、 采用多脉波( 如3 0 脉波) 的串联功率单元多重化线路，可将其谐波减到最 小。 2 i 3 城北水厂变频器 城北水厂有两台7 4 0 k w 机组( 电机水泵) ，两台7 l o k w 机组及两台5 9 0 k w 机组装有 大功率变频器进行变频调速。这6 台变频器采用的是1 2 脉波整流电路。 采用多重化整流电路，可减轻整流装置所产生的谐波、无功功率等 对电网的干扰 2 个三相桥并联而成的i2 脉波整流电路： 图2 1 并联多重联结的12 脉波整流电路 l + l 一 整流变压器二次绕组分别采月j 星形和三角形接法构成相位相差 3 0 。、大小相等的两组电压，从而便输出整流电压一在每个交流电源 周期中脉动l2 次，故该电路为l2 脉波整流电路。输入电流谐波次数 8 | 第二章大功率变频器谐波污染 为12 k 1 ( k 为自然数) ，其幅值与次数成反比而降低。 2 2 城北水厂变配电概况 城北水厂设有3 5 k v 6 k v 变电所，一级泵房变、配电站，反冲洗泵房变、配电站及 二级泵房变、配电站。 莽所掰受 一 302 7 ， ? 0 。 l 囝 熬水线匝 巾d 雨 z # 所磁7 图2 - 2 城北水厂3 5 k v 变电所电气系统图 变电所设两路3 5 k v 进线，两台3 5 k v 6 k v ( 8 0 0 0 k r a ) 主变压器。变电所所用电源 由两台3 5 k v o 4 k v ( 5 0 k v a ) 所用变提供。 - 9 - 麓 0 ，_ 1 y ， ：? ：。舯|一， 一 线，隙 审渤市 东南大学工程硕士学位论文 4 il il i4 i l il i 、馑鳕、镀、埋、f i ，i $? ，“t + *i * t + m 一 是是如勘缈 严。严。严严。产。严。 厶l 厶| 罾毋皆占毋南 _ 嚣弋嚣气二了，； ：誊：j ，嚣；嚣。 “。 ：l f f ：俺：j 莒f ；! 苗4 in ffl1ff 。f 醚拳。最赣打”* 图2 - 3 城北水厂一级泵房变、配电站电气系统图 一级泵房变，配电站由变电所两路6 k v 出线供电，负责一级泵房6 k v 高压电机等 设备的配电。由两台6 3 0 4 k v ( 2 0 0 k r a ) 变压器向一级泵房低压用电设备供电。 - 1 0 - 攫 o nh 1- 城北水厂反冲洗泵房一次线路图 图2 - 4 城北水厂反冲洗泵房变、配电站电气系统图 反冲洗泵房变、配电站由变电所两路6 k v 出线供电，由两台6 3 0 4 k v ( 6 3 0 k v a ) 变压器负责向挣水厂低压用电设备供电。 ：曩 ) 寡： 匦 彬 图2 - 5 城北水厂二级泵房变、配电站电气系统图 二级泵房变，配电站由变电所两路6 k v 出线供电，负责二级泵房6 k v 高压电机等 设备的配电。由反冲洗泵房向二级泵房低压用电设备供电。 。协r、+m鬻小， 俺健盛渺； ； o 竺idj0、4州叭o 。棒1+l枣 东南大学工程硕士学位论文 城北水厂二级泵房一期安装有三台? 4 0 k w 机组( 电机水泵) ，其中两台为变频机组； 一级泵房安装有三台7 l o k w 机组( 其中两台为变频机组) 及五台5 9 0 k w 机组装( 其中 两台为变频机组) 。 每天供水高峰时，一级泵房一般运行两台7 l o k w 变频机组，= 级泵房一般运行两 台7 4 0 k w 变频机组。每天供水低谷时，一级泵房一般运行一台7 1 0 k w 变频机组，二级 泵房一般运行一台? 4 0 k w 变频机组。平时经常通过调频来满足管网供水需求及厂里的 生产调度要求。调频机组利用率较高。 1 2 - 第三章韧步测试、分析 第三章初步测试、分析 城北水厂主要负荷为三相异步电动机，定速运行的异步电动机采用电容就地补偿的方式 来提高功率因数。 自2 0 0 0 年投运以来，可编程控制器( p l 6 ) 偶有误动作现象，造成生产部分中断。高压 电容器及办公用电脑等电气设备损坏频繁。经分析。怀疑可能是由于电源谐波污染引起的。 为了更好地保护用电设备，保证安全供水。于2 0 0 3 年1 2 月8 日对城北水厂反冲洗泵 房变、配电站的电源质量情况进行了测试( 测试仪器：f l u k e4 3 b , 测试软件： i n f o t e c h e s s e n t i a l sp o w e ra n a l y z e r1 0 ) 。 3 1 反冲洗泵房变、配电站测试记录 1 1 # 变压器出线端 i ) 电压电流波形( 相地) 4 0 0 ，。1 3 ，t ，一7 。，一一 ：一二二一一n t ”x 一一 1 6 i i l -l d _ 嘶 k j a i a g t u a 曩嘲a _ _ m h 蹦一n 嘲。螂_ m 瞳，舅 n 蛳 h 靠 d t h- 0 ，1 2 憾 t 姗 1 34 9 3 ， y s c 出- 如d v j d y t - 0 d v x s c 山- 0 d m i d ”8 d m e i d x a i o 1 6 0 xs m - i c 2 ，田2 ，1 ( 2 柚 m 曲咖- 7 5 vj h l m 曲- 弱1 3 v 图3 - 1 电压电流波形( 相地) 通过上图可以发现电压电流波形的顶部产生了部分的畸变。峰值的瞬态变化比较严重， 出现瞬流次数比较频繁。电路中存在着非线形负载受其影响电流会产生突变，波形 也产生了畸变，实测过程中电流最大值为2 5 9 5 a 。 2 ) 电流频谱图 东南大学工程硕士学位论文 5 ”j i； ，| 旧藩。 1 9 2 12 3 茁2 嚣3 l 孙卵剪埘都邪4 7 曾甜 h m n m a b u 图3 - 2 电流频谱图 总畸变率达到1 4 7 。谐波分量主要为高次谐波，谐波使用电设备效率下降，产生 能源浪费。 3 ) 瞬流波形 n - - v o 孽 y s c a b - i d v j d i x s c e k- 1 0 0 l 脚 x f 口- o 目s a f x s 氍 - 噬2 蛳 m - j m m m v m m m m t - 3 铂j v 0 d _l d 0 m ) 呐t z m u m t o m m 瞳m g 州一柚h 州咖a o 嘲蜩p t h 5 4 3 图3 - 3 瞬流波形 从图中可知电压、电流的变化很大，瞬流活动比较频繁。根据软件分析，瞬流次 数达到2 0 ，0 0 0 次4 时，瞬间电压高达3 8 6 6 v ，对设备损害大，并造成能源浪费。 4 ) 浪涌波形 1 4 。 j 舯 耵 珊 挪 瑚 j 搴 棚 弗 渤 粥 辨 拼 竹 4 m 拼 拼 瓤 2 4 0 0m o 2 1 5 0 蚰o0 k 。；。二。，。；，i 0 0 ：0 g ：0 0 j o 巾i v 图3 - 4 浪涌波形图 负载的不稳定导致电流变化频繁而且幅度很大，电压也随之变化。现场设备工作 过程中，负载变化大，电流幅值范围1 4 4 0 - - 1 6 3 1 a 。 2 2 # 变压器出线端 1 ) 电压电流波形( 相地) n 一 v o l t a g e x s c 出- 0 d i d 8 d m m x a t 0 - 1 60 蹦 xs - l i ( 2 把) m “m - 3 v 1 6 0 m2 d m m e 由自一t i - 枷o e n m c m _ 柚h 黯嘲d p 口_ w 白_ 皿6 喇t a p 图3 - 5 电压电流波形( 相地) 通过上图可以发现电压电流波形的顶部产生了部分的畸变，电压电流峰值频繁变 化，电压的变化和负载电流的变化有关 2 ) 电流频谱图： 1 5 甄豁辩羲黔黜 东南大学工程硕上学位论文 f 了下 1 “ ；。l + ；! l 3j791 l 廿1 j1 71 92 i 嚣押扫孤剪堑剪剪m4 34 5 h t 咄n q 妇 i i _ 耵弗m 图3 - 6 电流频谱图 总畸变率达到1 5 2 ，谐波分量主要为高次谐波，谐波使用电设备效率f 降，产 生能源浪费。 3 ) 浪涌波形 2 4 0 0 甑o 2 弛05 5 0 - - 。- - - - - _ - - - 。- - ， i： 2 1 5 0n m0 二。：t 。l 一。：! 一 m 3 0 巾h d t b 一 一 - r e c 口d 1i r e _ d2 出 - 2 0 0 3 1 2 m1 2 q 0 f f l 2 - b m1 ，5 82 4j 1 3 蜘2 s c 出5v ，d 5 帅 5 0 2 - z 2 7 5 v1 5 2 - 5 a s c a | e - 3 0f j d w l3 0 巾 a t 假0 0 0 0 = 0 0l 0 0 0 0 0 0 s - 6 2 $ a1 6 2 嘲 i 酗- 2 2 7 5 v1 5 34 a l n m _ 巾2 2 67 vl 帕2 a 图3 7 浪涌波形图 如图，负载的不稳定导致电流变化频繁而且幅度很大，电压也随之变化瞬流活 动频繁。现场工作过程中负载变化大，电机峰值电流变化极快。负载的变化导致电 流变化幅度较大( 4 8 2 5 3 4 a ) 4 ) 瞬流波形 1 6 。 j 邶 彤 抛 脚 栅 弗 棚 第三章初步测试，分析 v o l t 警 i 加n v j d l o j m i d 2 3 7 0 6 v d 眦l u 】i n e p t , - 峨t l _ 南t a 阿嘲c 州缸i 嘲捌p g 栅。o 硼唧6 懈，彤 o 图3 8 瞬流波形 如图，现场电流波形严重畸变，说明负载变化频繁且变化幅度很大根据软件分 析，瞬流次数达到2 l ，8 0 0 次4 时，瞬间电压高达3 8 6 6 v ，对设备损害大，并造成 能源浪费。 3 、1 # 变压器负载：后加压泵 1 ) 电流电压波形：相地 4 0 0 n 一 - v o w , y s o 山- 姗口v 脚 x s k - l d m i * xs i c 2 如 2 5 l 口哪 r c m ，盯v d t l x l1 3 4 埔i l ，【23 ，埘l l 积- 9 j 脚 l 丫l0 嚣i 3 1 2 3 v l ”3 1 2 33 加】vi l “6 4 0 46 3 2 3 v 1 6 ( i m 引，叫j 【聃 蹦f b h _ _ a 知脚a _ - _ h 描- d p o - 曲p 由t 螂* 图3 - 9 电压电流波形( 相地) 通过上图可以发现电压波形的顶部产生了部分的畸变受瞬流的影响峰值电压产 生波动。在3 5 7 9 - 3 6 1 8 v 波动 z ) 电流频谱图 - 1 7 誉熟潍 棚 m 斯 瑚 。 椰 挪 挪 枷 东南大学工程硕士学位论文 2岬 j 一； t ； 。j 。 甘 ； ”一 。；。， l ：；l - 一 一 + 一卜 i 一 j o 一 ；l ； 。 1 f ； l3，7，ii1 3i ，1 7 峥2 1 刀乃2 7 嚣3 l 卫野刃，m 毋町母，i h 口_ ，m n m f 图3 1 0 电流频谱图 如图，谐波畸变率达到6 1 ，谐波分量主要为高次谐波，谐波使用电设备效率下 降，产生能源浪费。 3 ) 瞬流波形 n - v o l 。t p t 雌- 1 4 ” y s 曲- i d v ，d x s 酗- 1 0 j i d x s h- 2 疆2 鲫 m u h m - 3 7 0 v m m m n - 搿j v o d _ 1 0 2 m h i 白- 豳t i _ 妇_ a 飘嘲瞄a _ - n i _ 啦_ d 如帆t c d l 衄f i h ”i 图3 - 1 1 瞬流波形 根据软件分析，瞬流次数达到2 2 ，0 0 0 次小时，瞬间电压高达3 8 6 6 v ，对设备 损害大，并造成能源浪费。 4 ) 浪涌波形 1 s 一 。 。 加 彤 瑚 抛 渤 彤 椰 渤 棚 枷 枷 m o 埘 锄 棚 棚 第三章初步测试、分析 2 4 8 0 1 2 5 0 v t 菊茹灞秘；。m ；。；。；：； 2 2 5 01 10 0； 一 。 ： ；i ： 2 2 0 0 o ；j 。一j 一；一 ， ； ： ? i! ， 2 1 5 01 0 二，i ：一 ：i 0 0 0 0 ：6 0 4 、l # 变压器负载：照明柜 1 ) 电压电流波形( 相地) m m 图3 一1 2 浪涌波形图 r 一o j 螂v , s l u e s - 1 0 0 0 0 1 7 l 阢2 时时卯l i d 鼢f h 1 2 2 6 92 2 t 0 四0 v l l y22 2 6 8 蕊s2 2 6 7 vl l d y n 2n 40 3 v i n q t - v o 辱 d d - 5 3 - 1 2 雌 d m x s c a b- g d m i d 静 1 6 d n s xs 珊- i ( 2 s 4 )西i c l 期 m 蛆m - 筠l7 v m i 呻 - 3 6 l7 ， 拍 1 6 i 盥 i d - 肿 e 峨t l _ 棚a 咖瑚睇c - 一- i 硼_ 一晰曲蚺嘲曲_ ，舯 图3 一1 3 电压电流波形( 相地) 通过上图可以发现电压波形的项部产生了部分的畸变，受瞬流的影响峰值电压产 生波动。 2 ) 电流频谱图 - 1 9 我劳愀糍黔黜 东南大学工程硕士学位论文 i 一 1 ”中一 镳 l ! 蔷_ l 糟；- 坩 ； i + 1 ；l | ： ll1 1)，7p1 l1 3d1 1l ，2 1 口d7 7 刀3 1 邛研开4 1 毋4 ，删) l 1 4 m a t u r e n m b 图3 1 4 电流频谱图 如图，谐波畸变率达到5 8 ，谐波分量主要为高次谐波，谐波使对用电设备效率 下降，产生能源浪费。 3 ) 瞬流波形 n - v “a 口 d 出- 0 1 2 憾 y s o a k- l d v m y a t5 0 - o d v x s o 山 - 1 0 0 m d d x a t 口- 0 d 肼 xs m- 2 硝2 输 m e m m - v m a u a m m - 赞6 v 0 d 脚 1 0 2 m 哪 e - 哑h m 衲a 咖琳瞄g - _ 柚i 蝴- - d p o - w 凸螂叫廊_ ，7 图3 1 5 瞬流波形 根据软件分析，瞬流次数达到2 4 ，0 0 0 次, b 时，瞬间电压高达3 8 6 6 v 。对设备 损害大，并造成能源浪费。 4 ) 浪涌波形 2 0 啊强h j b 弘 、；。一。_r pl卜h1lpl；卜l ；，r，h+ll；i；十，；一! _i，_镰；一l i ；一蛰妊 。 j 加 耵 珈 糯 瑚 彤 棚 弗 脚 枷 蛳 挪 m 删 瑚 枷 娜 棚 第三章初步测试、分析 2 4 0 08 t ) 0 2 2 0 02 0 0 一 ? 2 1 5 01 0 0 。： ： + 一d j b - ，c k n m , er e c d d ll r - c w d2 d o t e2 q 0 3 1 如1 2 0 0 3 _ 1 2 8 t f 储- 1 43 1 4 11 1 43 14 1 y s c a l e -5v ，d 1 1 0a t o i _ y a t 嗷t2 2 7 5 vi 箍0 x s c a k - 3 0 “o r v i 扣帅 x 假l 吡瓣 x s - 5 7 5 7 11 5 7 5 7 l m 洲i m 肌- 2 2 7b v1 5 40 a m 卅t m - 2 2 8 5 v1 为1a 图3 一1 6 浪涌波形图 通过上图可以发现电压波形的顶部产生了部分的畸变，受瞬流的影响峰值电压产 生波动负载的变化导致电流变化幅度很大，瞬流活动频繁，电流在2 5 卜5 4 0 波动。 测试结果分析： 通过对本次取样数据及图形分析，城北水厂设备运转过程中，电源质量产生了很 大的变化，通过电压波形分析可以发现，电压波形的顶部产生了畸变受瞬流的影响， 峰值电压产生很大波动；通过对电流波形的分析，负载不平稳，电流波形畸变严重； 通过对谐波波形分析，谐波畸变率在5 2 一1 5 2 左右，谐波主要来自高压端( 我们发现 总进线端谐波量明显高于各支路) ，通过对s a g s 波形的分析，电流很不稳定，产生尖峰， 主要是由于工况变化频繁引起的，电压不稳定；通过对瞬流的分析软件统计平均达 到2 0 ，0 0 0 次1 4 时，这些瞬流对电源质量产生很大污染因此被测设备产生的瞬流及 其他设备产生的瞬流使整个电源的谐波量增加，内部瞬流产生环流会增加电机的铁损 及铜损，影响其电机的工作效率，使电机的功率因数一f 降。同时也导致整个电源的功 率因数下降。瞬流活动量的扩散如不加以治理，会导致愈演愈烈的能源损失和电源质 量的下降 2 1 - 东南大学工程硕士学位论文 3 2 二级泵房变频变压器输出端测试记录 图3 - 1 7 城北水厂变压器处正常稳定电压波形 图3 - 1 8城北水厂变压器处正常稳定电流波形 2 2 第三章初步测试、分析 图3 一1 9 负载基本稳定时电压谐波含量，奇次含量高，接近国标5 的要求 图3 2 0负载略有波动情况下电压波形，有一定的畸变 一2 3 - 东南大学工程硕士学位论文 图3 - 2 1负载略有波动情况下电压谐波含量 圉3 2 2 谐波表格 - 2 4 第三章初步测试、分析 图3