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新聞主題 |
柴油發電機電壓諧波畸變原因、標準及計算 |
摘要：眾所周知，電壓波形在理想狀態下是正弦波，但由于柴油發電機組的供電系統中存在大量非線性阻抗特性的用電負載，使得實際的電壓波形偏離正弦波，這種現象稱為電壓正弦波形畸變，通常用諧波來表征。電壓波形畸變的程度用電壓正弦波畸變率來衡量，也稱電壓諧波畸變率。由于諧波通常是具有非線性阻抗特性或非正弦電流特性的用電設備產生的，所以用戶在采購柴油發電機組時應注意設備生產廠家提供的畸變率最高值或解決電壓畸變率的措施。
一、發電機諧波的產生原因
電力諧波就是電能中包含的諧波成分，分為諧波電壓和諧波電流。
1、諧波
諧波是與基波對應的一個概念。如果有一個頻率為f正弦波，那么頻率為nf的正弦波就稱為f正弦波的n次諧波，而頻率為f的正弦波就是基波（含義為基本波形）。例如：我們的電力電壓波形為50HZ的正弦波，那么3次諧波就是150HZ的正弦波，5次諧波就是250HZ的正弦波，原理如圖1所示。
用數學的方法可以證明，任何一個周期性波形都可以分解為基波和諧波。因此，當發電機電壓發生畸變時，就表示其中包含了諧波成分。圖2是包含了3次諧波和5次諧波波形表征圖，3次和5次諧波是工業上最典型的兩種諧波。如果諧波成分是電流，就叫諧波電流。如果諧波成分是電壓，就叫諧波電壓。
2、諧波電流
諧波電流是導致發電機過熱、電纜過熱、跳閘、無功補償裝置燒毀的主要原因。
3、諧波電壓
諧波電壓是電子設備誤動作的主要原因，因此，類似于數據中心這種電子設備為主的用戶，擔心電子設備受干擾而特別關注發電機諧波電壓畸變率的問題。一般要求電壓畸變率小于5%。
4、諧波電流和諧波電壓的區分
諧波電流是諧波的根源，諧波電壓是諧波電流的產物。因此，要徹底解決諧波導致的各種問題，就要從控制諧波電流入手。諧波電壓是諧波電流流過線路阻抗時產生的，對于特定的配電系統，諧波電流與諧波電壓之間的關系如下（歐姆定律）：
諧波電壓=諧波電流×電網阻抗.....................（公式1）
式中，電網阻抗包括了發電機的阻抗和配電系統的阻抗，如圖1所示。
較大的諧波電流并不一定導致較大的諧波電壓。只有當系統阻抗較大時，諧波電流才會產生較大的諧波的諧波電壓。例如容量較小（對應阻抗較大）的情況，這時，雖然電流畸變率并不大（所含的諧波電流成分較小），但是電壓可能會出現嚴重的畸變。而發電機容量較大（對應阻抗較低）的情況，這時，雖然電流畸變率很大（所含的諧波電流成分較小），但是電壓可能會出現嚴重的畸變。
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圖1 發電機諧波產生原理 |
圖2 發電機多種諧波特征表示圖 |
二、電壓正弦波形畸變率的概述
1、電壓正弦波形畸變率的指數
在空載標定電壓和標定頻率下，柴油發電機組線電壓波形失真（正弦畸變率）<5%。
2、電壓正弦波形畸變率的定義
柴油發電機組技術要求發電機的理想波形是正弦波，但其實際波形不是真正的正弦波，它既含有基波，又含有三次及三次以上的高次諧波，三次諧波勵磁的發電機尤為嚴重。因此發電機的電壓波形會產生正弦形畸變。
根據上述所知，諧波源使得實際的電壓波形偏離正弦波的現象稱為電壓正弦波形畸變。通常以諧波來表征。電壓波形畸變的程度用電壓正弦波畸變率來衡量，也稱電壓諧波畸變率。電壓正弦波畸變率以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分數來表示。
3、電壓正弦波形畸變率的計算公式
電壓正弦波畸變率以各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值之比的百分數來表示。其數學表達方式為：
THDU=｛√（U?U?+U?U?+...+UnUn）×100%｝/ U?.....................（公式2）
式中，Un指的是第n次諧波電壓有效值，V；U?指的是基波電壓有效值，V。
三、電壓畸變的主要危害
柴油發電機組供電后，會在供電網絡注入諧波電流，諧波電流在電網阻抗上產生諧波電壓，諧波電壓疊加在正弦波形的50Hz供電系統上，并施加在所有接于供電系統的負載設備端，對這些設備的正常工作產生影響。主要會引起負載設備損耗增加，產生局部過熱，導致電熱器和電熱機的過早損壞；電機的機械振動增大，噪音增強，造成工作環境噪聲污染；對電子元件產生干擾，引起工作失常；對自動裝置或測量儀器產生干擾，圖像和通訊質量下降。
1、導致發電機發熱
諧波導致發電機發熱源于兩方面原因，其一是諧波電流能增加發電機的銅損和漏磁損耗；其二是諧波電壓能增加鐵損。發電機的發熱程度直接影響了發電機使用容量的降低程度。
2、導致連接的電力電纜發熱
在三相對稱回路中，三次諧波在三相導線中相位相同，在中性線上疊加后產生了3倍于相線的諧波電流和諧波電壓，導致中性線溫度升高。智能建筑中大量的OA設備及電子式熒光燈均使三次諧波在系統中的占有率增大，因此諧波引起中性線發熱問題值得關注。當高頻電流通過導線時，電流具有集膚效應，顯然高次諧波電流的存在使線路集膚效應加重，線路外表面電流密度加大，從而導致線路（相線及中性線）發熱。
3、導致對電子設備的干擾
智能建筑中自動化及電子信息設備均要求有較高的電源質量，且都工作于低電壓水平，極易受到諧波的干擾而使控制失常。控制失常可能引發三A系統的嚴重故障。
4、導致低壓配電系統工作異常
諧波畸變可使低壓配電柜中的電器設備（斷路器、漏電保護器、接觸器、熱繼電器等）發生故障。諧波電流使低壓電器設備鐵損、銅損增加，集膚效應加劇，從而產生異常發熱，誤動作等故障。
四、電壓畸變的防范措施
發電機的電壓波形畸變率對感性負載影響最大，如損耗、電磁噪音、啟動電流、溫升等指標變大，電動機或變壓器等轉換效率變低。因此，防范和改善措施是非常必要的。
1、運用阻尼繞組降低電機波形畸變率
負序磁場是引起電壓波形畸變率的主要因素，所以應采取措施來削弱負序磁場，凸極電機的勵磁繞組對負序磁場有阻尼作用，但不夠，且會影響勵磁電流，所以考慮增加交軸阻尼繞組，效果應該不錯。為了提高阻尼效果，阻尼繞組的電阻R應遠小于電抗X,使阻尼繞組電流落后其電動勢90°,使阻尼磁動勢與負序磁動勢接近反相。每極的阻尼條數n及槽距t對附加損耗和發電機電壓波形都有影響，一般應按下列原則選擇：0.8ts≤t≤0.9ts、1.1ts≤t≤1.2ts、n=4～10、S=KSc/n。其中，ts為定子槽距，S為阻尼條截面積，Sc為一個極距內定子繞組導體的總截面積，K取值≥0.3。
阻尼繞組的模型（如圖3所示。阻尼繞組主要包含阻尼槽、阻尼端板、阻尼條。阻尼條就是穿過阻尼槽的金屬導體，一般為圓柱形（如圖4所示）。端板截面積一般為一極的阻尼條總截面積的一半。阻尼端板與阻尼條采用焊接連接。
表1 不同阻尼材料對應的波形畸變率
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阻尼繞組形式
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電壓正弦波形畸變率（%
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基波
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三次諧波
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五次諧波
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七次諧波
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九次諧波
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無阻尼繞組
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14.5
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12.3
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3.9
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1.2
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0.9
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鋁阻尼繞組
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12.1
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10.2
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3.7
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0.7
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0.7
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黃銅阻尼繞組
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10.8
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8.1
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3.5
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0.5
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0.6
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銅阻尼繞組
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9.7
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7.8
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3.2
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0.4
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0.4
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2、提高發電設備功率或容量
在根據負載確定柴油發電機組額定容量時，應考慮諧波畸變而預留容量空間。通常在民用建筑設計中一般應保證柴油發電機組負荷率為70%～80%左右，該負荷率的工程富余量即可防范諧波引起的發電機發熱危害。
3、增大連接電纜線的橫截面
在電纜截面選擇中應考慮諧波引起線纜發熱的危害。對于聯接諧波主要擾動源設備的配線，確定線纜載流量時應日有足夠余量，可適當放大一級選擇線纜截面。在三相四線制供電系統中，應考慮三次諧波電流和高次諧波電流引起的趨膚效應對中性線的發熱危害，即在中性線截面的選擇中選用足夠的余量。
4、采用措施或專用設備來降低干擾
在設計和施工階段，建議用戶采取以下措施抑制諧波對電子設備的干擾。
（1）為該類設備設計專用回路供電，盡可能避免干擾沿供電線路竄入。
（2）為易受干擾設備加裝線路濾波器，消除或抑制諧波分量，達到凈化電源目的。
① 電力電容器串聯濾波電抗器。
電容器串聯電抗器后，會組成無源濾波回路；通過調整電抗器的電抗器，它可以濾除不同次數的諧波。
② APF有源濾波器。
它可以檢測電網中的諧波電流，經過分析后有源濾波器會發出與諧波電流大小相等、方向相反的諧波電流，使兩者相互抵消，從而達到諧波治理的目的。
（3）使該類設備配線盡可能遠離諧波電流畸變嚴重的線路，以避免空間電磁干擾。
（4）接地抗干擾
接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，提高系統的抗干擾能力。變頻器的接地方式有多點接地、一點接地及經母線接地等幾種形式，要根據具體情況采用，注意不要因為接地不良而對設備產生干擾。
（5）做好信息線的干擾
信號線承擔著檢測信號和控制信號的傳輸任務，毋庸質疑，信號傳輸的質量直接影響到整個控制系統的準確性、穩定性和可靠性，因此做好信號線的抗干擾是十分必要的。
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圖3 發電機阻尼繞組的模型圖 |
圖4 發電機阻尼條結構示意圖 |
總結：
本文論述了發電機電壓波形畸變率產生的主要原因，以及如何利用阻尼繞組消除負序磁場，從而提高柴油發電機組的電壓輸出的質量。介紹了控制發電機電壓畸變的方法以及在實際運用中的作用，降低了附加損耗、提高了效率，使柴油發電機組整機性能提高到更優良更能滿足用電需求。
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