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行業(yè)新聞/柴油發(fā)電機(jī)組
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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
發(fā)布時間:2022-03-12 13:47:13  ▏閱讀:

 

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。

 

發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢波形.png

圖1  發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢波形

發(fā)電機(jī)三次諧波勵磁示意圖.png

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:

電話諧波因數(shù)(THF)-柴油發(fā)電機(jī)組.png

       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。

      鑒于以上電壓高次諧波的危害和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對電壓高次諧波的限制,發(fā)電機(jī)設(shè)計時必須采取相應(yīng)措施,對電壓高次諧波進(jìn)行削弱和抑制。產(chǎn)生電勢高次諧波的原因主要有兩大類:一是主極磁場非正弦分布引起的電勢高次諧波;二是由于定子開槽引起的電勢齒諧波。

 

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

電話諧波因數(shù)THF(%)
線電壓有效值U
N次諧波線電壓的有效值
 
 
U1
231.4
231.4
X1
0.0001055584
U2
0.21
0.48594
X2
0.0000002962
U3
0.76
1.75864
X3
0.0001367720
U4
0.13
0.30082
X4
0.0000491276
U5
0.21
0.48594
X5
0.0007299866
U6
0.03
0.06942
X6
0.0000593766
U7
0.07
0.16198
X7
0.0007143165
U8
0.05
0.1157
X8
0.0007839664
U9
0.18
0.41652
X9
0.0185509957
U10
0.03
0.06942
X10
0.0008259807
U11
0.04
0.09256
X11
0.0021848894
U12
0.03
0.06942
X12
0.0017060948
U13
0.03
0.06942
X13
0.0023010461
U14
0.03
0.06942
X14
0.0030076230
U15
0.05
0.1157
X15
0.0107229132
U16
0.02
0.04628
X16
0.0021418384
U17
0.05
0.1157
X17
0.0161976529
U18
0.03
0.06942
X18
0.0070556976
U19
0.03
0.06942
X19
0.0083968633
U20
0.09
0.20826
X20
0.0850095661
U21
0.06
0.13884
X21
0.0410898846
U22
0.08
0.18512
X22
0.0740527776
U23
0.95
2.1983
X23
10.7286840681
U24
0.03
0.06942
X24
0.0108430569
U25
0.34
0.78676
X25
1.4489967286
U26
0.04
0.09256
X26
0.0205830670
U27
0.26
0.60164
X27
0.8922215528
U28
0.04
0.09256
X28
0.0213875415
U29
0.05
0.1157
X29
0.0342694144
U30
0.03
0.06942
X30
0.0124916835
U31
0.06
0.13884
X31
0.0512158540
U32
0.03
0.06942
X32
0.0131200988
U33
0.03
0.06942
X33
0.0132796123
U34
0.02
0.04628
X34
0.0060451247
U35
0.02
0.04628
X35
0.0061899130
U36
0.03
0.06942
X36
0.0140916367
U37
0.05
0.1157
X37
0.0396025920
U38
0.03
0.06942
X38
0.0145904174
U39
0.04
0.09256
X39
0.0262375204
U40
0.03
0.06942
X40
0.0150978724
U41
0.03
0.06942
X41
0.0154409949
U42
0.03
0.06942
X42
0.0157879728
U43
0.02
0.04628
X43
0.0070946255
U44
0.03
0.06942
X44
0.0163156682
U45
0.04
0.09256
X45
0.0296396165
U46
0.03
0.06942
X46
0.0168520381
U47
0.08
0.18512
X47
0.1224137752
U48
0.04
0.09256
X48
0.0309281465
U49
0.1
0.2314
X49
0.1953410167
U50
0.02
0.04628
X50
0.0079781339
U51
0.05
0.1157
X51
0.0498633366
U52
0.02
0.04628
X52
0.0080610230
U53
0.04
0.09256
X53
0.0325773621
U54
0.03
0.06942
X54
0.0185131944
U55
0.04
0.09256
X55
0.0329123456
U56
0.03
0.06942
X56
0.0187025865
U57
0.02
0.04628
X57
0.0083122606
U58
0.02
0.04628
X58
0.0083122606
U59
0.03
0.06942
X59
0.0187025865
U60
0.02
0.04628
X60
0.0083122606
U61
0.03
0.06942
X61
 
U62
0.03
0.06942
X62
0.0181373018
U63
0.04
0.09256
X63
 
U64
0.03
0.06942
X64
0.0172144371
U65
0.02
0.04628
X65
 
U66
0.02
0.04628
X66
0.0071728026
U67
0.03
0.06942
X67
 
U68
0.03
0.06942
X68
0.0147586052
U69
0.05
0.1157
X69
 
U70
0.12
0.27768
X70
0.2099215816
U71
0.04
0.09256
X71
 
U72
0.02
0.04628
X72
0.0048836057
U73
0.03
0.06942
X73
 
U74
0.02
0.04628
X74
0.0039035005
U75
0.03
0.06942
X75
 
U76
0.03
0.06942
X76
0.0068243791
U77
0.03
0.06942
X77
 
U78
0.03
0.06942
X78
0.0052123779
U79
0.04
0.09256
X79
 
U80
0.03
0.06942
X80
0.0038172379
U81
0.02
0.04628
X81
 
U82
0.03
0.06942
X82
0.0026389591
U83
0.02
0.04628
X83
 
U84
0.02
0.04628
X84
0.0007969781
U85
0.02
0.04628
X85
 
U86
0.02
0.04628
X86
0.0005269265
U87
0.03
0.06942
X87
 
U88
0.02
0.04628
X88
0.0003392758
U89
0.02
0.04628
X89
 
U90
0.02
0.04628
X90
0.0002138754
U91
0.03
0.06942
X91
 
U92
0.03
0.06942
X92
0.0003060344
U93
0.02
0.04628
X93
 
U94
0.03
0.06942
X94
0.0001908426
U95
0.05
0.1157
X95
 
U96
0.02
0.04628
X96
0.0000534689
U97
0.02
0.04628
X97
 
U98
0.03
0.06942
X98
0.0000752990
U99
0.02
0.04628
X99
 
U100
0
0
X100
0.0000000000
電話諧波因數(shù)THF(%)
 
 
總 和
14.6038196719

 

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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