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1 什么是晃电 怎么产生的 后果 针对电机负载 什么是晃电 通常意义上的晃电是指电网电压瞬时跌落时间一般在2秒之内 又恢复正常的现象称之为晃电 电网晃电由于无法预知 因此已经成为影响各行业正常生产的最大安全隐患之一晃电是怎么产生的 电网因雷击 对地短路 发电厂故障及其他外部 内部原因 相间不平衡等因素造成电网短时间故障 电网电压短时大幅度波动 甚至短时断电数秒钟的 晃电 现象 随着电网并网 环网的日益扩大 以及馈电变压器容量增大带来的配出回路的增多 电源瞬时失压即 晃电 的现象越来越频繁 其原因是相邻回路故障引起的电压波动几率增加了后果 电网电压瞬时跌落的幅度及维持的时间不同 负载对电源的要求 敏感度 不同 晃电对负载的影响及由此产生的后果也不尽相同 轻微的影响 如果晃电发生时其电压跌幅及 或 维持时间没有超过电机前端所加的交流接触器动作最长持续时间 一般是故障保护的切除时间 常规的最长在200毫秒以下 加装防晃电交流接触器的最长可延时2 3秒 也有保护元件来不及动作的 一过性 瞬时失压特殊情况的 并且如果使用变频器的场合变频器拥有失电自启功能 同时电机转速维持在较高速度 那么晃电对负载及系统运行的影响是 电网恢复正常时电机对电网有不同程度的电流冲击 大小与当时电机维持的转速直接有关 并引起系统运行状态的不稳定 而不影响到其继续运行 即交流接触器没有脱扣 严重的影响 晃电发生时的电压跌幅及 或 维持时间致使电机的转速下降到其额定转速的30 以下 这时即便有防晃电保护措施 也因电网恢复正常时电机对电网的大冲击电流 最大可至电机启动电流的1 5倍以上 可能使前端交流接触器跳闸 造成整个系统无法工作 严重的影响 晃电发生时的电压跌幅及 或 维持时间即便没有致使电机的转速下降到其额定转速的30 以下 但超过前端所加交流接触器最长电保持时间 系统将因 晃电 而引起前端交流接触器释放 这时电机 包括变频器 因失电而停止工作 虽然有些变频器有失电自启功能 也可能造成系统联锁停产后果 轻者生产连续性受影响 大量物料放空 报废 重者造成设备损坏 甚至引起爆炸 火灾等事故 给企业造成巨大的经济损失 2 不同晃电对电机的影响 3 电机常用的防晃电的对策 一 防晃电交流接触器 普遍采用在电机前端加具有延时释放功能的 防晃电交流接触器 来防止电网晃电对电机负载的影响主要原理 在电网正常时 利用接触器内部的储能电容储能 当电网晃电发生时 电容放电以维持接触器吸合所需电压 若晃电维持时间超过电容释放的最长维持电压时间 则接触器脱扣主要目的 当晃电发生时不使前端交流接触器脱扣 以保证电网恢复时电机的正常运行缺点 即便能防止交流接触器不在晃电期间脱扣 也无法防止并解决晃电对系统运行稳定性的影响 并且在电网恢复后造成电机对电网产生大的冲击 甚至可以大到跳闸 防晃电及延时的程度不尽相同 可靠性也难以保证 4 电机常用的防晃电对策 二 对重要的电机负荷 在电机前端的接触器控制回路中加装 电机自启动重合控制器 来防止因晃电时间过长造成电机停车 它是配合备用电源自投或电源重合闸的自起动设备本身无法解决由于晃电对电机及整个系统运行不稳带来的影响在自启动时由于失压时间过长 造成电机转速下降很多 在重启时对前端电网造成很大的冲击 甚至直接引起跳闸 更多的时候为确保系统安全性需要人工干预 5 电机常用的防晃电对策 三 有些场合选用带有 失电自启功能 的变频器对电机 保护 变频器本身在晃电 失电 时无法保持继续供电 因此无法解决晃电本身对电机负载及系统运行不稳定带来的影响顾名思义 它只能完成在电网恢复正常供电时自身的启动 但晃电对系统带来的影响 无能为力 6 电机常用的防晃电对策 四 有些场合用发电机 备用电源 及EPS作为应急电源来防止晃电发电机 备用电源 及EPS 后备式 只能作为应急电源在电网停电 或晃电维持时间达到一定时 时才发挥 备用 电源作用 却无法解决晃电开始至发挥作用这段时间内对电机负载和系统稳定运行以及对前端接触器的影响 7 EPS应急电源 通常情况下 EPS作为应急电源处于后备工作方式 电机由电网直接供电 只有当电网停电或晃电时间长达被认为电网超限时 才由EPS向电机负载供电 电网供电与EPS供电之间有几十毫秒到几秒的切换时间存在 并在切换过程中会产生大电流 同时 由于切换时间的存在 在这过程中电机处于失电状态 依靠本身的惯性运行 因此生产过程也处于不稳定运行状态 当EPS供电时 为避免大电流冲击甚至短路 不能直接把全压 如380V 及50hz直接加在电机上 因为此时的电机转速已经很低 EPS只能跟踪此时的电机转速并逐步加电把电机提速升频至全速和50hz 这又需要时间 或者待电机停转后再对电机软启动 整个过程电机及生产系统都处于不稳定运行状态 8 电机常用的防晃电对策 五 彻底解决晃电对电机负载及系统稳定运行唯一的办法就是采用在线式UPS 功能 保护系统 无论晃电跌幅及维持时间如何变化 甚至在电网停电时 UPS都能对其保护的负载提供稳定 不间断的电源 从而确保负载稳定运行但是电机负载无法回避的瞬间启动电流过大的固有特性 导致UPS容量必须数倍于电机额定功率 这就导致必须花费高昂的代价来达到从根本上解决晃电对负载及系统带来的影响 9 电机最佳的防晃电对策 MVP 综上分析 要彻底解决晃电对电机负载及系统稳定运行带来的影响 唯一的解决方案是采用 具有 在线式UPS 功能 由于传统的UPS无法直接适用于电机负载 因此投资成本很高 可靠性却不高MVP整合了在线式UPS 变频软启动 快速切换等功能 因此只需选用1 2倍于电机额定功率的MVP保护系统即可确保电机负载完全避免因电网晃电 瞬停 停电带来的任何不稳定因素影响 从而保证系统的安全可靠运行 10 防止晃电 MVP 从上图可以看出 MVP处于在线工作方式 在市电正常时 市电AC经VF向电机提供稳定的交流电源 同时对电池组进行充电 当市电晃电 瞬停或停电等情况发生时 改由电池组向VF供电 VF供给电机负载的电源不受电网波动的影响 因而能确保电机始终稳定可靠运行 当MVP发生故障时 工频状态下 经静态转换开关 S T S 在 4ms内改由旁路向电机提供所需电源 图中SB开关即为维修旁路开关 与SO开关组合使用 11 电力意义上的 谐波 正常及理想的电网中 电压和电流应该是正弦波 供电回路中若只有线性负载 纯阻 电容或电感 流过的电流与所加的电压成正比 电流的波形也是正弦波在实际的供电回路中 由于非线性负载的大量存在 致使流过的电流与所加的电压不成线性比例 电流也就不是正弦波 从而产生谐波 电流 谐波的定义 根据法国数学家傅立叶 M Fourier 分析原理证实 任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量 谐波 也称 电网谐波 是主电网频率的倍数的波形 按其倍数称为n次 3 5 7等 谐波分量 假如电网频率f 50赫兹 那么3次谐波f 150赫兹 5次谐波f 250赫兹 7次谐波f 350赫兹 以此类推 谐波是正弦波 每个谐波都具有不同的频率 幅度与相角谐波可以分为偶次谐波与奇次谐波 第3 5 7等编号的为奇次谐波 而2 14 6 8等为偶次谐波 如基波为50Hz时 2次谐波为100Hz 3次谐波则是150Hz 一般地讲 奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大 在平衡的三相系统中 由于对称关系 偶次谐波已经被消除了 只有奇次谐波存在 对于三相整流负载 出现的谐波电流是6n 1次谐波 例如5 7 11 13 17 19等 变频器主要产生5 7次谐波 谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的 6脉冲设备仅有5 7 11 13 17 19 n倍于电网频率 功率变换器的脉冲数越高 最低次的谐波分量的频率的次数就越高 12 谐波 13 产生谐波的主要来源 发电源质量不高产生谐波 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称 铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因 发电源多少也会产生一些谐波 但一般来说很少输配电系统产生谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波 由于变压器铁心的饱和 磁化曲线的非线性 加上设计变压器时考虑经济性 其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上 这样就使得磁化电流呈尖顶波形 因而含有奇次谐波 它的大小与磁路的结构形式 铁心的饱和程度有关 铁心的饱和程度越高 变压器工作点偏离线性越远 谐波电流也就越大 其中3次谐波电流可达额定电流0 5 用电设备产生的谐波 主要是各类非线性负载 整流型负载 引起 详见后页 14 产生谐波的主要用电设备 用电设备产生的谐波 晶闸管整流设备 由于晶闸管整流在电力机车 铝电解槽 充电装置 开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用 给电网造成了大量的谐波 我们知道 晶闸管整流装置采用移相控制 从电网吸收的是缺角的正弦波 从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波 显然在留下部分中含有大量的谐波 如果整流装置为单相整流电路 在接感性负载时则含有奇次谐波电流 其中3次谐波的含量可达基波的30 接容性负载时则含有奇次谐波电压 其谐波含量随电容值的增大而增大 如果整流装置为三相全控桥6脉整流器 变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流 如果是12脉冲整流器 也还有11次及以上奇次谐波电流 经统计表明 由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40 这是最大的谐波源 变频装置 变频装置常用于风机 水泵 电梯等设备中 由于采用了相位控制 谐波成份很复杂 除含有整数次谐波外 还含有分数次谐波 这类装置的功率一般较大 随着变频调速的发展 对电网造成的谐波也越来越多 不间断电源装置 UPS 用于对一级负荷中特别重要的负荷供电 这些负荷包括 工艺过程控制DCS系统 配电系统的微机监控系统 火灾报警系统以及工厂智能化信息管理系统等 电弧炉 电石炉 由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料 使得燃烧不稳定 引起三相负荷不平衡 产生谐波电流 经变压器的三角形连接线圈而注入电网 其中主要是27次的谐波 平均可达基波的8 20 最大可达45 气体放电类电光源 荧光灯 高压汞灯 高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源 分析与测量这类电光源的伏安特性 可知其非线性十分严重 有的还含有负的伏安特性 它们会给电网造成奇次谐波电流 家用电器 电视机 录像机 计算机 调光灯具 调温炊具等 因具有调压整流装置 会产生较深的奇次谐波 在洗衣机 电风扇 空调器等有绕组的设备中 因不平衡电流的变化也能使波形改变 这些家用电器虽然功率较小 但数量巨大 也是谐波的主要来源之一 15 与谐波相关的主要参数 谐波电流 谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流 谐波电流叠加在主电源上 谐波电压 谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降 阻抗 阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻 阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备 以及所采用导体的截面积和长度 阻抗系数 阻抗系数是AF 载波 阻抗相对于50Hz 基波 阻抗的比率 谐振 在配电系统里的设备 与它们存在的电容 电缆 补偿电容器等 和电感 变压器 电抗线圈等 形成共振电路 后者能够被系统谐波激励而成为谐振 配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性 在这种情况下主要的谐波是3次的 它在全部导体内与单相分量具有相同的长度 因而在星形点上不能消除 谐振频率 每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路 一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率 并联谐振频率 网络阻抗达到最大值的频率 在并联谐振电路中 电流分量IL和IC大于总电流I 串联谐振频率 网络的阻抗水平达到最小的频率 在串联谐振电路内分路电压UL和UC大于总电压U 串联谐振谐电路 由电感 电抗器 和电容 电容器 串联的电路 无功功率 电动机和变压器的磁能部分 以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q 与有功功率不同 无功功率并不做功 计量无功功率的单位是Var或kvar 无功功率比较抽象 它是用于电路内电场与磁场 并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率 凡是有电磁线圈的电气设备 要建立磁场 就要消耗无功功率 无功功率补偿 供电部门规定一个最小功率因数 90 以避免电能浪费 如果一个工厂的功率因数小于这个最小值 它要为无功功率的部分付费 否则它就应该用电容器提高功率因数 这就必须在用电设备上并联安装电容器 16 谐波的主要危害 一般来讲 谐波对容量相对较大的电力系统影响暂时不很明显 而对容量小的系统 谐波产生的干扰就不可忽视 谐波电流和谐波电压的出现 对公用电网是一种污染 它使用电设备所处的环境恶化 给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害 谐波对配电系统的影响 在很多方面与污水对水源的影响很相似 是对环境的一种污染 谐波对配电系统产生影响 有些是表面的 直观的 短暂的 但更多的影响是潜在的 间接的 累积的 后者所产生的影响 是一种不易察觉的危害 往往成为配电系统安全运行的重大隐患 谐波污染对电力系统的危害严重性主要表现在 1 谐波对供电线路产生了附加谐波损耗 由于集肤效应和邻近效应 使线路电阻随频率增加而提高 造成电能的浪费 由于中性线正常时流过电流很小 故其导线较细 当大量的三次谐波电流流过中性线时 会使导线过热 绝缘老化 寿命缩短 损坏甚至发生火 2 谐波影响各种电气设备的正常工作 对发电机的影响除产生附加功率损耗 发热 机械振动和噪声和过电压 对断路器 当电流波形过零点时 由于谐波的存在可能造成高的di dt 这将使开断困难 并且延长故障电流的切除时间 3 谐波使电网中的电容器产生谐振 工频下 系统装设的各种用途的电容器其电路比系统中的感抗要大得多 不会产生谐振 但谐波频率时 感抗值成倍增加而容抗值成倍减少 这就有可能出现谐振 谐振将放大谐波电流 导致电容器等设备被烧毁 4 谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振 从而使谐波放大 这就使上述危害大大增加 甚至引起严重事故 5 谐波将使继电保护和自动装置出现误动作 并使仪表和电能计量出现较大误差 谐波对其他系统及电力用户危害也很大 如对附近的通信系统产生干扰 轻者出现噪声 降低通信质量 重者丢失信息 使通信系统无法正常工作 影响电子设备工作精度 使精密机械加工的产品质量降低 设备寿命缩短 家用电器工况变坏等 17 谐波治理 目前国际上通用的谐波治理技术主要包括主动的消除式滤波 ActiveHarmonicsFiltering 和被动的吸收式滤波 PassiveHarmonicsFiltering 一般说来 有以下三种方式 国家标准 GB T14549 93 电能质量公用电网谐波 无源滤波器 这属于被动的吸收式滤波 在谐波情况比较简单的配电系统中 结合功率因数补偿 选用高性能的滤波电容器串联高线性度的滤波电抗器 组合成滤波补偿系统 在吸收系统中主要的谐波分量的同时 补偿无功功率 可分为 调谐的和非调谐的两种滤波技术 组合滤波器 针对谐波情况复杂 各次谐波均有显现的配电系统 采用组合系数的无源滤波器 在补偿功率因数的同时 抑制三次谐波 吸收五次谐波 降低谐波水平 有源滤波器 这属于主动的消除式滤波 在重要负荷处 根据用电设备对谐波污染的敏感程度 为达到最佳的滤波效果 配置动态有源滤波器 充分消除谐波 属于主动的消除式滤波 采用IGBT技术作为开关元件 通过DSP 数字信号处理 和PWM 脉宽调制 技术 根据检测到的谐波分量 产生一个幅值相等但移相180度的反谐波 在谐波源处注入系统 使得系统中的谐波被彻底消除 该技术的优点是清除谐波效果好 可以滤除系统中97 以上的谐波电流 且无需对系统的综合感抗 容抗进行计算 可以对三相电流分别滤除 不存在投入容性负荷而导致过补和引起电压波动的负作用 只需根据系统中的谐波电流值选择 配置相应容量的有源滤波器即可 简单方便 但缺点是设备昂贵 投资较大 目前该技术在欧美市场已普遍应用 还可以采用减少回路的阻抗及切断传输线路法 谐波产生的根本原因是由于使用了非线性负载 因此 解决的根本办法是把产生谐波的负载的供电线路和对谐波敏感的负载的供电线路分开 18 谐波国标 推荐 GB Tl4549 1993 19 无功功率 无功功率比较抽象 它是用于电路内电场与磁场 并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率 异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例 电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率 阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率 特别是各种相控装置 同时电力电子装置成为电网最大的谐波源无功功率影响 无功功率的增加 会导致电流增大和视在功率增加 从而使发电机 变压器及其他电气设备容量和导线容量增加 同时 电力用户的起动及控制设备 测量仪表的尺寸和规格也要加大无功功率的增加 使总电流增大 因而使设备及线路的损耗增加 这是显而易见的使线路及变压器的电压降增大 如果是冲击性无功功率负载 还会使电压产生剧烈波动 使供电质量严重降低 20 无功补偿 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的 电网元件和负载所需要的无功功率必须从电网中某个地方获得 显然 这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的 通常也是不可能的 合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率 这就是无功补偿 无功补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿无功补偿的作用主要有以下几点 提高供用电系统及负载的功率因数 降低设备容量 减少功率损耗稳定受电端及电网的电压 提高供电质量 在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性 提高输电能力在三相负载不平衡的场合 通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载 21 滤波柜 节能柜 滤波柜的主要作用为 通过对谐波源的检测 用滤波器对电网回路或谐波源进行谐波 吸收 和 抑制 从而提供电网电源质量及功率因数 降低线缆 配 用电设备发热损耗 提高设备运行可靠性 延长设备使用寿命 节能柜 的主要作用 通过对电网回路的无功补偿 减小线缆电流 减少线损 P 1 COS 1 COS 2 2 100 提高功率因数 从而提高电能利用率 节约费用 提高供电设备 线路 的容量 延长设备使用寿命效益 仅以额定功率为500KW泵类负载为例 不计减少的线损 国家规定 高压供电的用电单位功率因数 0 9要受罚 多付电费 譬如在进行补偿前功率因数为0 75 补偿后功率因数为0 95 一年运行24小时 300天 电费补偿前为0 7元 kw h 补偿后为0 65元 kw h 那么该泵每年仅节约的电费为 补偿前 500KW 0 75 24 300 0 7 3 360 000 00元 年 补偿后 500KW 0 95 24 300 0 65 2 463 157 9元 年 年节约电费 3360000元 2463157 9元 896842元 年 22 变频器的主要作用及不足 软启 大大减少对电网的大电流冲击 减少对前端配电线缆 空开接触器等的损害 提高可靠性和延长使用寿命变频节能 在没用使用变频器控制而使用传统方