建筑物內電子設備諧波問題的探討

時間：2024-10-10 23:40:37 理工畢業論文

建筑物內電子設備諧波問題的探討

摘要：建筑物內的電子元件和設備已成為低壓電網中不可忽視的諧波源。本文根據幾組檢測數據，對最常用的電子設備和元件的諧波及其影響進行了分析，提出相應的對策。
關鍵詞：電子設備諧波問題對策
隨著小區和建筑樓宇智能化的興起和信息處理技術的普及，電子計算機、彩色電視機和電子節能照明光源等電子設備和元件已廣泛進入到我們的學習、工作、生活中。這些元件和設備屬于非線性負載，在大量集中使用的建筑物或居民小區中，其非線性產生的諧波電流，如果不加以抑制，會使低壓電網的電壓電流波形產生畸變，影響電能質量。
一、電子設備的諧波現象及原因
電子設備的電源一般是整流電源，只在交流電壓接近峰值時，整流管才導通有輸入電流。由于在一周期內導通的時間很短，又必須維持設備正常的工作電流，所以輸入電流呈脈沖狀。這種脈沖狀輸入電流的基波含量小，而諧波含量大，且工作電流越大，脈沖電流的幅值就越大，形成嚴重的畸變電流注入低壓電網，成為不可忽視的諧波源。
電子計算機和電視機的諧波電流含量大，諧波電流總畸變率高。這樣高含量的負載諧波電流在負荷使用高峰期注入低壓電網，會造成電網電壓和電流總諧波畸變率升高，對電能質量產生影響，如果超過國標規定的限值，還可能造成危害。
據有關資料，在家用電器（主要是電視機）集中使用的居民小區，對低壓電網的電壓質量有明顯的影響。在負荷高峰時，電壓的總畸變率和3次、5次諧波均已達到或超過國標規定的限值，而且還有進一步增加的趨勢。
二、諧波對電力系統設備的影響
電網諧波使電網波形受到污染，供電質量惡化，附加損失增加，傳輸能力下降，是電網的公害。其對系統和設備的影響主要表現在幾方面。
1．對變壓器和電動機，諧波電壓使鐵芯渦流損耗增加，諧波電流使銅損增加，溫度上升，絕緣加速老化，降低了效率和利用率，縮短使用壽命。目前為了抑制3次諧波，常用Dyn11接線的變壓器，使3次諧波在三角形連接繞組中形成環流，盡量不注入電網。但應注意，當諧波含量較大時，這些環流也可能引起變壓器繞組過熱。
2．在諧波電壓作用下，電容器會產生額外的功率損耗，加快絕緣介質的老化。更為嚴重的是，大量諧波電流很可能引發電容器和系統其他元件之間的并聯諧振或串聯諧振，造成對某次諧波電流的放大和諧波電壓的增高。這種危險的諧波過電壓和過電流，不僅會使電容器超載而損壞，也會使與電容器聯接的配電回路中所有線路、設備因電壓閃變超壓過負荷而損壞。據統計，70％以上的諧波故障發生在電容器裝置上。
3．對電力電纜和配電線路，諧波電流頻率增高引起明顯的集膚效應，導線電阻增大，線損加大，發熱增加，絕緣過早老化，容易發生接地短路故障，形成潛在的火災隱患。同時，3次諧波使三相平衡負荷的N線電流顯著增加。在配電回路負荷主要是大量集中使用電子計算機和大面積采用電子節能氣體光源照明的場合，N線電流甚至達到相線電流的兩倍，致使N線過熱、燒毀，甚至導致火災。
4．配電回路的諧波電流含量高會使斷路器遮斷能力降低。這是因為畸變電流過零點時，電弧電流隨時間的變化率要比工頻正弦電流大，電弧電壓的恢復要迅速得多，使電弧容易重燃。事實表明，空氣電磁斷路器不能遮斷其分斷能力范圍內波形畸變率超過50％的故障電流，還會導致斷路器損壞。
5．諧波對電力系統的繼電保護、計量儀表以及通信系統的設備、信號產生干擾和損害。
三、國家諧波標準限值
為了抑制諧波污染，保證電網和電氣設備的安全經濟運行，近幾年來國家先后制定了一系列電磁兼容和安全的國家標準，對諧波的限值作出了明確的規定。在《電能質量公用電網諧波》（GB/T14549－93）中，對0.38KV低壓電網諧波電壓和諧波電流限值的規定如表三、表四：
這些標準的實施，為電子設備產品的生產和檢測，供配電設計以及供用電的監督管理提供了依據。四、減小諧波影響的措施
1．在民用建筑低壓配電設計中，尤其是對用電負荷主要為單相用電設備供電的配電干線，中性線（N）的截面積不應小于相線截面積。而對大量集中使用計算機、電視機等電子設備供電的場合，TN系統配電回路的N（PEN）線的截面積不應小于相線截面積的2倍，以增加N線載流量，避免導線過載發熱而損壞。
2．對應用電子設備和元件較多的配電線路保護，應選用有中性線過流保護的開關電器，并且應適當加大斷路器的斷流容量，防止短路故障時因斷流容量不足損壞開關和設備。
3．為防止電力電容器對諧波的放大，以致引起諧振過電壓或過電流，對電容器的設置要注意以下幾點：①適當調整電容器的安裝位置，以改變網絡參數。②根據可能產生諧振的諧波次數，確定電容器的容量，或調整電容器投切分組容量，以避開諧振點。③在電容器回路中串聯適當的空心電抗器，限制電容器支路的諧波電流。例如，為限制3～5次諧波電流，可安裝相當于電容器容量4％～6％的串聯電抗器。
4．在系統中并聯裝設交流濾波器。交流濾波器有無源與有源之分，由于民用建筑中負荷類型變化不大，電子設備產生的諧波次數相對比較固定，因此多采用無源濾波器。
對低次數（13次以下）諧波，因次數較低，含量較大，可分別設置單一頻率的單調諧無源濾波器濾除。單調諧濾波器由電容器串聯諧波電抗器組成，基本原理是將需濾除的諧波頻率作為理想的調諧點，在此頻率上濾波器產生串聯諧振，形成低阻通路吸收大部分諧波電流。
對較高次數（13次及以上）諧波因其幅度小，可選一共同的高通濾波器濾除。最常用的高通濾波器是二階高通濾波器，由電抗器、電阻和電容器混聯連接構成。對某一次（如13次）諧波頻率以上的各次諧波，濾波器的阻抗是一個小于其電阻值的低阻通路，使次數較高的諧波電流被有效地吸收。
現在有的廠家（諾基亞、深圳海億達等）已可提供有源濾波器。有源濾波器基本原理是作為一個電流源，與負載諧波源并聯，以極快的響應速度，送出與負載諧波電流幅值相等，相位相同，方向相反的電流，使兩者相互抵消，電源側的總諧波電流為零。有源濾波器還可補償無功功率和三相不對稱電流。目前由于價格較高，補償容量較小（單臺補償電流100A以下），所以僅適用于對供電質量要求很高（如重要建筑物的中央監控系統、計算機系統等）的場所使用。
5．加強對電子產品生產的管理、檢測和監督，鼓勵廠家采用有源功率因數校正等新技術，生產低諧波值的電子產品。從源頭對諧波污染進行治理，這是最根本的措施。
參考文獻
1.薩本永《諧波電流引起零線電流偏大過熱問題探討》安全與電磁兼容2001年第2期
2.林海雪、孫樹勤編著《電力網中的諧波》中國電力出版社1998論文出處(作者):
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