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摘要:施工现场临时用电常用设备主要是晶闸管整流设备,在站区临时改造系统中焊接设备、充电装置、开关电源等用电设备越来越大量的应用,给电网造成了大量的谐波。本文阐述了谐波的产生机理及其危害,并结合施工现场临时用电设备的线圈烧毁现象,分析了其产生的原因,并提出了抑制措施。
Keys:施工现场;临时用电;谐波;抑制
1概述
随着工业经济的迅猛发展,科学技术的不断进步,大量的直流设备、变频调速设备及其它非线性负荷被广泛应用,对供电系统电能质量要求越来越高。高次谐波的产生,增加了电能谐波损耗,降低了系统功率因数,不仅影响电网的质量,而且还很大程度的影响电网的可靠性,严重时造成继电保护误动,烧毁微机保护线路板、数字电能表及其它微机装置[1-3]。
为了节能,变频器在空调系统和电梯中大量使用。但上述设备在工作中产生大量谐波,以变频器为例,既有整流器又有高频逆变,在高低频段同时产生大量的谐波。谐波已与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害[4,5]。

谐波是指一个电气量的正弦波分量,其频率为基波(电力系统把50Hz的电压或者电流波,叫做基波,不是50Hz的电压、电流就是谐波)频率的整数倍,不同频率的谐波对不同的电气设备会有不同的影响。谐波主要由谐波电流源产生,当正弦波(基波)电压施加到非线性负载上时,负载吸收的电流与其上施加的电压波形不一至,其电流发生了畸变。由于负载与整个网络相连接,这样畸变电流就可以流入到电网中,这样的负载就成了电力系统中的谐波源[6-8]。

在电力系统中产生谐波的主要谐波源有两种:
1、含有半导体等非线性电气元件的用电设备。比如工业中常见的各种整流电气装置、大容量变频器、大型交直流变换装置以及其他的电力、电子装置[9]。
2、含有电弧和铁磁材料等的非线性材料的用电设备,比如电弧炉、变压器、发电机组等电气设备[10,11]。
各行业常见的谐波源有:
表1 各行业常见的谐波源
行业类型
主要谐波源
通信、数据机房
UPS、开关电源、办公设备等
医疗
UPS、核磁共振机、CT机、办公设备等
办公楼宇
中央空调、电梯、办公设备等
商业广场、体育馆、演播厅
变频器、LED屏、大量节能灯等
港口码头
行车、门机、变频
器、办公设备等
工业、冶金、制造业
中频炉、变频器、加热炉、锻造设备等
烟草、造纸、煤矿
变频器
轨道交通
UPS、充电桩、变频器、荧光灯等
2谐波的危害

当频率较高的谐波电流流过导体时,由于集肤效应的影响,导体呈现的电阻比基波电流要大,因此同样幅度的谐波电流比基波电流产生更大的热量。

谐波电流流过变压器时,增加了线圈绕组的电阻损耗(称为铜损)和铁心的损耗(称为铁损),会导致变压器发出额外的热量,使变压器在没有达到额定功
率时便出现温度过高的现象,导致变压器的实际容量降低。在工业上,一些变压器的负荷主要是变频器、中频炉等谐波源设备,变压器仅仅达到50%负荷时,就温度过高。在商业上,随着一些建筑物中的节能灯、以PC机为代表的信息设备等非线性负荷增加,变压器过热的现象也十分常见。

企业进行节能技术改造中大量使用变频器,而变频器产生严重的谐波电流,这些谐波电流对无功补偿装置造成了不同程度的损坏,常见的现象包括:谐波保护装置检测到谐波电流过大时,装置进入保护状态,导致无功补偿装置不能投切;流过补偿装置的电流过大导致补偿装置中的保险丝烧断;流过补偿电容的电流过大,导致电容过热引起电容炸裂。

三次谐波电流之所以危害很大,是因为三次谐波电流在中性线上叠加,会导致中性线电流过大,造成火灾隐患。中性线上的电流过大之所以危害极大,是因为中性线上没有保护装置。配电线路的保护装置一般安装在相线上,因此,相线上一旦出现过大的电流,保护装置会动作,避免线路过热。而中性线上没有保护装置,电流过大时,只能任其过热。

现代电子设备对电能质量的要求越来越高,当电源电压中包含较多的谐波电压成分时,电路会受到不良影响。当谐波电流流过系统阻抗时,产生了谐波电压,从而电子设备产生不良影响。
谐波电压对其他设备造成的不良影响主要体现在以下几个方面:数字控制设备,PLC、数控机床等,发生误动作;信号采集系统、测量仪器等的精度降低;电动机发生抖动、过热。

谐波电流导致电路保护装置意外动作的机理取决于电路保护装置工作原理。以单相电路跳闸为例:单相整流电路的电流波形为脉冲波形,由于电流持续时间短,要输出同样的功率,脉冲电流的幅度就必须高,即脉冲电流要提供与正弦波电流同样的功率,或者说脉冲电流要具有与正弦波电流同样的有效值,则脉冲电流的峰值要远高于正弦波电流的峰值才行,具体高出多少与整流电路中的滤波电容的大小、负载的大小等因素有关。

谐波电流导致额外的电能消耗主要体现在两个方面:无功功率和电阻损耗。当电压与电流同频、同相时,也就是电压与电流具有相同的频率与相同的相位时,产生的功率才是有功功率。而谐波电流与基波电压的频率不同,因此产生的功率是无功功率。谐波电流流过变压器、电缆是要发热,根据能量转换定律,这部分热能也是来自发电厂。因此,如果减小了谐波电流导致的各种发热,也就是节省了能量。
由于大量使用电力电子设备,变频器,中频炉等,谐波电流的危害已经成为严重的电能质量问题。
3施工现场临时用电的谐波隐患

施工现场临时用电常用设备主要是晶闸管整流设备。在站区临时改造系统中焊接设备、充电装置、开关电源等用电设备越来越大量的应用,这给电网造成了大量的谐波。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,变压器一次线侧及供电线路含有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%。
当用电设备的抗谐波干扰能力较低时,谐波会对配电系统造成较大的危害,即造成用电设备的异常或损坏。就建筑施工用电而言具体表现在:形成3次谐波振荡,使变压器附加损耗增加;污染低压供配电系统;影响继电保护和自动装置的可靠性;增加旋转电机的损耗;高次谐波电流使输电线路功耗增加,系统功率因数降低,电费增加,从而增加运营成本;如果输电线是埋地电缆线路,与架空线路相比,电缆线路对地电容要大10~20倍,而感抗仅为其1/3~1/2,所以很容易形成谐波谐振,造成绝缘击穿,达不到节能要求;在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器,而在谐波的长期作用下,金属化膜电容器会加速老化。
以上问题,存在于各施工现场临时用电系统中,造成直接经济损失,采取必要的有效手段避免或补偿已产生的谐波,就显得尤为重要。根据临时用电的特点、现状和对治理措施投资性价比分析,应当从谐波源头制定出合理的治理措施。

某建设工程施工中多次出现多台用电设备线圈烧损的事故,经专业人员对供电线路多次勘察:供电系统运行正常,未发现线路中相线、零线、接地保护线等断线或连接不实的状况,且相电压测量也在正常范围内,但同时了解到,线路及一些用电设备过热现象时有发生;办公室的电视机、计算机的图形有时会产生畸变、画面亮度发生波动变化;多处节电无功补偿装置中的电容器已击穿;当月电费发票显示,,而该低压配电系统已经采取了无功补偿的节电措施,根据以往数据参考,。根据以上情况,事故调查组了解到新近投入生产的钢结构构件加工场地中正在使用多台大功率焊接设备、构件热处理变频设备,在对配电系统谐波的动态跟踪后,发现系统中确有大量谐波,而且系统的谐波兼容值已高于一些用电设备的抗谐波干扰能力,用电设备因长期过热而损坏。
4谐波的抑制方法

对于供电系统来说,谐波的产生不可避免,但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。

在线路中对谐波源采取措施,最大限度地避免谐波的产生,这种方法能够提高电网质量,可在很大程度上避免谐波造成的影响。
1、采用脉宽调制(PWM)技术,在所需要的频率周期内,将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲,这种方法可以大大抑制谐波的产生。
2、增加整流器线路中的脉动频率,整流器件是电网中的主要谐波源,对于整流器件来说,增加整流脉动频率,可以使波形平滑,谐波的产生量减少。

目前应用最广泛的谐波抑制方法主要有以下几种:
1、采用无源滤波器
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧,由L、R、C元件构成谐振回路,当谐振回路的谐振频率与某一谐波频率相同或相近时,即可阻止该频率的谐波进入电网。
2、采用有源滤波器
利用可控的功率半导体器件,向电网中输入与原有的谐波电流幅度相等相位相反的电流,使电网中的总谐波电流趋向于零,达到实时补偿谐波的目的。
3、加装静止无功补偿装置
在谐波源处并联加装静止无功补偿装置,可以有效减少波动的谐波量,同时,也可以抑制电压波动、电压闪变,还可以补偿功率因数。
4、防止电容器组对谐波的放大
在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用,当谐波存在时,在一定的参数下电容器组会对谐波起到放大作用,危及电容器本身和附近其他电气设备的安全,可以采取串联电抗器或将电容器组的某一支路改为滤波器的方法来限制对谐波的放大,也可以通过限制电容器组的投入容量来避免电容器对谐波的放大。
Reference:
[1][D].华南理工大学,2012.
[2][J].低压电器,2007(16):48-52.
[3]张燕涛,黄伦,高红杰,吉安,、监测和治理[J].陕西电力,2007(09):45-48.
[4]茅靖,[J].现代建筑电气,2018,9(01):29-34.
[5][J].科技与创新,2016(04):118.
[6][J].电气开关,2010,48(05):1-5.
[7]周彦,[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2010(06):232.
[8][J].铜业工程,2003(03):59-60+72.
[9][J].通信电源技术,2009,26(01):67-71.
[10]王洋,[J].电力电容器与无功补偿,2013,34(01):29-35.
[10]王洋,[J].电力电容器与无功补偿,2013,34(01):29-35.