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解决电能质量现状优化方案

一、电能质量现状

    随着中国工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量（Power Quality）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、通信系统、机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人们日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。

    近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。例如，２０世纪７０年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。NOBLE试验使用“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入１００～２００Ｖ脉冲时就误动作，造成计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备正常运行，影响人们的正常生活，重者致使大型生产线、通信系统运行瘫痪，造成严重经济损失。

    国际电工委员会（IEC）已于１９８８年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“IEEE电子电气工程师协会”于１９９２年制定了谐波限定标准IEEE—1000。在IEEEｓｔｄ．５１９—１９９２标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（THD）应在５％以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求THD应低于３％。

二、症状分析

电源质量降低会导致的系统综合用电效率下降，经分析认为，对用电系统会造成如下的影响：

1、变压器的损耗

    变压器自身的铁损和铜损由于电网中谐波、瞬流和浪涌的存在，变得较为严重。变压器损耗源于铁芯中的杂散磁场损耗以及绕组中的涡流和阻抗损耗。在这几个原因之中，当有谐波电流存在时，最应该受到关注的是涡流损耗，因为它们大约以频率的平方倍数增加。在工业系统中一个典型的生产环境里，变压器的涡流损耗是预期值的九倍左右，几乎是整个负载损耗的两倍。

2、集肤效应所引起的导线过热

    所有的谐波都会引起相线的额外损耗。集肤效应在功赫兹时可以忽略不计，从3 次赫兹及以上（7 次谐波）开始起作用。例如，一根直径为20 毫米的导线在3次赫兹时具有比其直流电阻高60 ％的视在电阻。这些增加的电阻，甚至是增加的电抗（由于频率升高）将会导致电压降和电压畸变的增加，最终导致电能质量的严重下降和电能的额外损失。

3、电动机损耗

    电压谐波会导致直接连接的感应电动机的额外损耗。5 次谐波生成一个反旋转磁场，而7 次谐波在电动机的同步转速之上又生成一个旋转磁场。因此而导致的扭矩脉动在联轴器和轴承处产生磨损和裂纹。由于速度是固定的，在谐波里储藏的能量就以额外的热量形式散发了，从而导致过早老化。谐波电流还有可能被引入到转子之中，导致进一步的发热现象。这些额外的热量使得转子和定子之间的空气间隙减少，从而进一步降低了效率。变速装置本身会产生一系列问题。他们对电压暂变更加敏感，往往会因此而导致整个同步生产线瘫痪。它们经常安装在离电动机还有一定距离的地方，在电压突升时会产生电压尖峰；在系统设计时，为了适应最大负荷，电动机的额定功率选型标准为最大使用值的120％左右。但在实际使用过程中，通常在额定功率的50％左右，这就是常说的“大马拉小车”，大量的电能被浪费。

4、功率因数补偿设备所产生的问题

谐波频率可能和杂散电感及功率因数补偿（PFc ）设备组合的谐振频率一致，生成额外的电压或者电流，从而导致过早出现故障。

5、中性线过载

    在三相回路中有三根带电相线和一根用来传导三相之间不平衡电流的回流线。然而，随着3n次谐波的叠加，中性线里会有很大的电流流过。由于在过去很多中性线的截面都是减半的，因此现在即使相线在远低于满负荷的条件下运行，这种形势也可能十分严峻。

6、保护装置的误跳闸

   冲击电流可能会使断路器跳闸，由于断路器不能正确合计含有基波和各次谐波的电流，因此误跳闸或者在该跳闸的时候根本不跳；漏电电流可能会达到使漏电保护装置动作的设定值。针对误跳闸的补救措施绝不能危害到现场人员的安全。普遍采用的解决方法是多分几个回路，使每个回路所带负载减少，从而降低冲击电流和漏电电流。经过特殊设计的谐波处理设备应得到使用，过大的回路规模决不是正确的解决方案。

    诸如此类，还有 IT设备及程控设备死机、灯光频闪、PLC 死机、数据网络堵塞等等问题，都是现实环境中存在的普遍问题，需要说明的是，这些问题的存在与整个国家的发展过程与经济现状有着直接的关系，并不是某一个管理人员或者技术人员的技术水平和管理水平引起的。

三、解决方案

    在低压配电系统中适当点采用CENE系统节电保护装置进行综合布控治理，有效吸收线路中的谐波和浪涌，消除公共供电点上供电波形的不稳定性、非正弦性、不对称性，稳定频率变化，达到优化线路电力品质，减少谐波危害，净化环境，提高设备用电效率的作用。在保护设备、节约用电的同时，为其它层面的电效治理提供电源质量优良的环境平台。