新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組的電話諧波因數(shù)THF和干擾影響系數(shù)TIF

 

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PLC智能控制在柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來越廣泛。柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的可靠性直接影響到工業(yè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運行，而控制系統(tǒng)的抗干擾能力是關(guān)系到整個供電可靠運行的關(guān)鍵。目前控制系統(tǒng)是直接安裝在設(shè)備上，因此，大多數(shù)工作條件處于強(qiáng)電電路和強(qiáng)電設(shè)備所形成的惡劣電磁環(huán)境中。要提高柴油發(fā)電機(jī)組可靠性，電力系統(tǒng)設(shè)計人員只有預(yù)先了解各種干擾才能有效保證系統(tǒng)可靠運行。  

 

一、何為諧波

 

1、諧波的研究和發(fā)展

      “諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。

      到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國都對諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

      諧波研究的意義是因為諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

2、諧波的危害

      理想的發(fā)電機(jī)所提供的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對發(fā)電機(jī)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的能耐電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對諧波及其危害就進(jìn)行過一些研究，并有一定認(rèn)識，但那時諧波污染還需要嚴(yán)懲沒有引起足夠的重視。諧波對發(fā)電機(jī)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。

（1）諧波使發(fā)電機(jī)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。 諧波對電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機(jī)械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

（3）諧波會引起發(fā)電機(jī)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

（4）諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。

（5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致住處丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

3、諧波抑制

      為解決發(fā)電機(jī)電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使期不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

      裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。

 

圖1  發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢波形

圖2  發(fā)電機(jī)三次諧波勵磁示意圖

 

二、干擾因素的名詞定義

 

      諧波是指對周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻(50Hz)相同的分量。 

1、電話諧波因數(shù)（THF）的定義

       根據(jù)全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會規(guī)定，電話諧波因數(shù)（THF）就是指電壓波形中基波及各次諧波有效值加權(quán)平方和的平方根值與整個波形有效值的百分比，因高次諧波產(chǎn)生的影響稱為電話諧波系數(shù)，即THF。 

2、電話影響系數(shù)（TIF）的定義

       由于交流發(fā)電機(jī)的電壓數(shù)據(jù)并不可能達(dá)到恒定無變化狀態(tài)，通常在國際或國家所規(guī)定的電壓范圍上下幅度波動，這些波動會對通信系統(tǒng)的通話質(zhì)量和聯(lián)絡(luò)質(zhì)量帶來一定的影響和干擾，其對電話的影響稱為電話影響系數(shù)TIF。

 

三、電話諧波因數(shù)（THF）測量

 

　　國家標(biāo)準(zhǔn)《GB 755-2008 旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》對電話諧波因數(shù)測量有明確的計算公式，如下：

       該公式關(guān)鍵在于加權(quán)系數(shù)λn的數(shù)值獲取。標(biāo)準(zhǔn)中提供了部分頻率的加權(quán)系數(shù)，對于基波頻率不是50Hz的信號，大部分頻率的諧波標(biāo)準(zhǔn)中沒有提供，需要自己采用插值運算獲取。大多電機(jī)檢測測量設(shè)備未提供THF指標(biāo)。AnyWay變頻功率分析儀能夠在檢測的同時運算并顯示電機(jī)試驗國家標(biāo)準(zhǔn)中定義的THF、HVF、K、THD、HC等指標(biāo)。

      國家標(biāo)準(zhǔn)GB755規(guī)定，發(fā)電機(jī)的空載線電壓正弦畸變率必須小于5%。有些專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了線電壓的電話諧波因數(shù)：對于容量在300～1000kVA的同步發(fā)電機(jī)，THF應(yīng)小于5%；對于容量在1000～5000kVA的同步發(fā)電機(jī)，THF應(yīng)小于3%；對于容量在5000kVA以上的同步發(fā)電機(jī)，THF應(yīng)小于1.5%。某些特殊應(yīng)用場合的同步發(fā)電機(jī)(如軍用發(fā)電機(jī))，除了對上述兩項指標(biāo)做出規(guī)定外，還對輸出電壓波形的偏離系數(shù)、單次諧波含量等指標(biāo)做出更加嚴(yán)格的規(guī)定。

 

四、柴發(fā)對TIF和THF規(guī)定

 

     1、電話影響系數(shù)TIF：﹤50，對電話的影響

     2、電話諧波系數(shù)THF：﹤2%，因高次諧波產(chǎn)生的對電話的影響。

    注意：數(shù)據(jù)中心對于容量小于62.5kVA的機(jī)組，其線電壓的電話諧波因數(shù)（THF）應(yīng)不大于8%。 容量不小于62.5kVA的機(jī)組，其線電壓的電話諧波因數(shù)（THF）應(yīng)不大于5%。

表1    柴油發(fā)電機(jī)組的電話諧波因數(shù)TH有效值

 

五、其他干擾因素

 

       共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。共模干擾是信號對地面的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號線上感應(yīng)的共態(tài)(同方向)電壓送加所形成。共模電壓有時較大，特別是采用隔離性能差的電器供電室，變送器輸出信號的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過不對稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測控信號，造成元器件損壞(這就是一些系統(tǒng)I/O模件損壞率較高的原因)，這種共模干擾可為直流、亦可為交流。 

      影響PLC控制系統(tǒng)的干擾源于一般影響工業(yè)控制設(shè)備的干擾源一樣，大都產(chǎn)生在電流或電壓劇烈變化的部位，這些電荷劇烈移動的部位就是噪聲源，即干擾源。干擾類型通常按干擾產(chǎn)生的原因、噪聲的干擾模式和噪聲的波形性質(zhì)的不同劃分。其中：按噪聲產(chǎn)生的原因不同，分為放電噪聲、浪涌噪聲、高頻振蕩噪聲等；按噪聲的波形、性質(zhì)不同，分為持續(xù)噪聲、偶發(fā)噪聲等；按聲音干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。 

     差模干擾是指用于信號兩極間得干擾電壓，主要由空間電磁場在信號間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種讓直接疊加在信號上，直接影響測量與控制精度。

 

總結(jié)：

      近30年來，發(fā)電機(jī)電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種發(fā)電機(jī)電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負(fù)載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。另外，采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。

 

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