【文章內容簡介】 主要為各種交直流換流裝置以及雙向晶閘管可控開關設備等，在冶金、礦山、電氣嘉興學院畢業(yè)設計說明書 6 鐵道等大量工礦企業(yè)以及家用電器中廣泛使用 。在系統(tǒng)內部，則如直流輸電中的整流閥和逆變閥等。其非線性呈現交流波形的開關切合和換向特性。 (c)電弧型 各種煉鋼電弧爐在熔化期間以及交流電弧焊機在焊接期間，其電弧的點燃和劇烈變動形成的高度非線性，使電流不規(guī)則的波動。其非線性呈現電弧電壓與電弧電流之間不規(guī)則、隨機變化的伏安特性。 (d)三相平衡和三相不平衡諧波源 對 于電力系統(tǒng)三相供電來說，有三相平衡和三相不平衡的非線性特性。后者，如電氣鐵道、電弧爐以及由低壓供電的單相家用電器等，而電氣鐵道是當前中壓供電系統(tǒng)中典型的三相不平衡諧波源。 電力系統(tǒng)諧波的危害 非線性電力設備的種類、數量和比重日益增加，它們產生的諧波對電力系統(tǒng)的污染日益嚴重。下面分別介紹它們的主要危害。 諧振 電力系統(tǒng)中廣泛使用補償功率因數的電容器，同時存在分布電容，它們與系統(tǒng)的感性部分組合，在一定的頻率下，可能存在串聯(lián)或并聯(lián)的諧振條件。當系統(tǒng)中該次頻率的諧波足夠大時，就會造成危險的過電壓或 過電流。 最常見的諧波諧振是在接有諧波源的用戶母線上，因為母線上除諧波源外還有電力電容器、電纜、供電變壓器及電動機等負載，而且這些設備處于經常變動，容易構成諧振條件。例如發(fā)生了 3次諧波諧振，則并聯(lián)諧振正好對 3 次諧波形成一個高阻抗。所以母線上將產生很高的 3次諧波電壓，其相應并聯(lián)支路 — 電容器和電網均流過很大的 3 次諧波電流。該次諧波疊加在基波上就可能導致設備損壞。 電力系統(tǒng)中也可能存在某次諧波的串聯(lián)諧振回路。例如從電源看，用戶的供電變壓器和二次側的補償電容器是串聯(lián)關系。若此回路對某次諧波呈現很低的阻抗 (即串聯(lián)諧振 )，則將吸收大量的該次諧波電流，同樣會造成該回路設備的諧波過負荷。 總之，在發(fā)生諧振情況下，即使很小的諧波電壓 (或諧波電流 )就可引起很大的諧波電流 (或諧波電壓 )，使電容器成倍地過負荷，導致電容器因過電流而損壞。 對輸電系統(tǒng)的影響 諧波電流一方面在輸電線路上產生諧波電壓降，另一方面，增加了輸電線路 (或電纜 )上的電流有效值從而引起附加輸電損耗。附加損耗可以用下面式子表示 : hh hL RIP ????? 22 （ 212） 電能質量分析及其監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計 7 式 (2— 12)中 : hR 為 h 次諧波頻率下的線路電阻。其中 hR 為隨頻率升高而增加，諧波產生的附加損耗也增大。 此外，諧波電壓引起的電壓波形畸變會影響線路電暈電壓，當諧波電壓與基波電壓波峰重合時，可能使線路的電暈問題嚴重起來。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強了介質的電場強度，這影響了電纜的使用壽命，據有關資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約 60%。 對變壓器的影響 諧波電壓可使變壓器的磁滯及渦流增加 ，使絕緣材料承受的電氣應力增大，而變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產生集膚效應和鄰近效應，在繞組中引起附加銅耗，同時也使鐵耗相應增加，其附加損耗可用下式表示 : ????? 1 23 h hTThr KRIP （ 213） 式 (2 一 13)中 hI 兒為通過變壓器藥認次諧波電流 。 TR 為變壓器工頻等值電阻 。 hTK 為由于諧波的集膚效應和鄰近效應使電阻 增加的系數，當 h為 11 和 13時， hTK 可分別取 、 、 和 。 對繼電保護自動裝置的影響 諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，這與繼電器的設計特點和原理有關。當有諧波畸變時，依靠采樣數據或過零工作的數字繼電器容易產生誤差。高次諧波對發(fā)電機的負序電流保護、主變壓器的復合電壓起動過電流保護、母線的差動保護、線路的各型距離保護和高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置以及音頻負荷控制裝置、欠電壓、距離、周波等繼電器均會起拒動和誤動的影響，使保護 裝置失靈和動作不穩(wěn)定 對測量和計量儀表的影響 測量儀表是在純正弦波情況下進行校驗的，如果供電電壓波形發(fā)生畸變，儀表很容易產生誤差 。如果存在諧波源，那么測量儀表也存在一定誤差。現在就感應式電能表為例說明諧波對測量的影響。感應式電能表是目前最為廣泛使用的電能計量儀表。國內外研究表明，這種表對諧波頻率有負的頻率誤差特性。 (l)非線性負荷是諧波源，當以正弦電壓供電給非線性負荷時，其所消耗的功率為。 ? ?hh h rPPP L ???? ??? 121 （ 214） (2)當畸變電壓供電給線性負荷時，線性負荷消耗的功率為 ? ?hh h rPPP L ???? ??? 121 （ 215） 嘉興學院畢業(yè)設計說明書 8 從式 (2 一 15)中可以看出，盡管 hr 是負值，即電能表對諧波消耗的功率計量不足的，但在諧波源的情況下，電能表記錄是基波電能扣除一小部分諧波電能，因此諧波源雖然污染了電網，反倒少交電費 。在畸變電源供線性負荷時，電能表記錄的是基波電能及部分諧波電能，后者將使用電設備性能變壞，因此用戶不但多交電費，而且受到損害。 (3)當畸變電壓供電給非線性負荷時，情況比較復雜，除基波電能流入負荷外，不同諧波源產生的諧波電流，可能有流入負荷的，也有倒流回電網的。 對通信的干擾 電力輸電線路和通信線路之間發(fā)生靜電感應和電磁感應，將在通信系統(tǒng)內產生聲頻干擾，其對電話通信干擾的程度取決于通過電力線路高次諧波的頻率、幅值、兩條線路之間的平行距離和共處的長度。電力線路與通信線路之間的電場禍合將在通信系統(tǒng)內產生干擾電壓，影響通信質量。 同時，供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會在正常供電電壓中注入一個脈沖電 壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達到1MHz，因而會引起電磁干擾。它對通信線路、通信設備會產生很大的影響。 對其它用電設備的影響 高次諧波除了對上述設備產生影響之外，還會對下列用戶設備產生影響 : (1)電壓波形中含有諧波時可能會使電視機的圖象畸變，畫面及亮度發(fā)生變化，同時引起機內變壓器、電抗器及電容器過熱 。 (2)影響電子顯微鏡的畫面清晰度 。 (3)使日光燈的鎮(zhèn)流器及補償電容器過熱和損壞 。 (4)計算機的電源中諧波電壓含量過大會導致電子計算機計算錯誤或程序出格 。 (5)影響儀用互感器的測量 精度 。 (6)使熔斷器在沒有超過整定值時就熔斷 。 (7)對于變流裝置，在整流換相過程中暫態(tài)時間內將交流供電網絡短路，從而造成電壓波形的陷波畸變。陷波畸變可能影響其它換流設備或其它任何由電壓過零所控制設備的同步，還可能在控制系統(tǒng)中產生自發(fā)振蕩，導致變流裝置電流很大的波動，被迫故障切除。 (8)對于晶閘管控制的變速裝置，電壓陷波可能導致晶閘管誤動作 。諧波電壓可能使控制回路誤觸發(fā) 。不同裝置的諧振可能造成過電壓及振蕩。 電能質量分析及其監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計 9 3 電能質量監(jiān)測與分析系統(tǒng)的概述 電能質量的概念及我國的國家標準 從總體上講 ，使電能指標越接近額定值就是電能高質量的標志。然而，電能從生產到消耗是一個整體，電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配、變、用始終處于動態(tài)平衡之中，其中任何一個環(huán)節(jié)都會對電能質量產生影響。電能質量標準的制定，就是確定適當的電能質量指標偏差的允許值。電能質量標準應滿足以下三點 :(l)基本上能保證電力系統(tǒng)的安全、連續(xù)供電和經濟運行 。(2)總體上能保證用戶電氣設備的正常供電 。(3)電力部門 (包括干擾用戶 )，在當前技術水平基礎上，作一定的努力后應能達標。 總體來說，合格電能質量 (PowerQuality)的概念是指，給敏感設備提供的 電力和設置的接地系統(tǒng)均能適合于該設備正常工作 (在許多情況下，接地系統(tǒng)對電能質量有很大的影響，以往對其認識不足 )。 電能質量包括六項指標 : (a)電力系統(tǒng)頻率允許偏差 (Permissibledeviation of fequeney for powersystem) (b)供電電壓允許偏差 (Admissibledeviationofsupplyvoltage)。 (c)電壓波動和閃變 (voltagenuetuationandflieker)。 (d)三相電壓允許不平衡度 (Admissible threephase voltage unalanceraetor)。 (e)公用電網諧波 (Harmoniesinpulicsupplywork)。 (f)暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓 (介 mporaryandtransientoveryoxtages)。 其中，電壓和頻率偏差基本上取決于供求平衡關系，而后幾項則不僅與電力系統(tǒng)有關，而且受用戶負荷性質的影響。因此，電能質量監(jiān)測裝置不僅應在電力系統(tǒng)的樞紐變電站中安裝，還應對重要用戶和特殊用戶 (產生波形畸變的用戶 )進行監(jiān)測。 電能質量監(jiān)測與分析系統(tǒng)的特點 電能質量監(jiān)測 是電力部門為其本身及其關鍵用戶提供的重用服務，也是獲得電能質量信息的直接途徑?，F在電力系統(tǒng)中，電能質量問題可以分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)電能質量兩部分。穩(wěn)態(tài)電能質量問題是以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波以及噪聲等；暫態(tài)電能質量通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類。 嘉興學院畢業(yè)設計說明書 10 電能質量各項指標中既包含了統(tǒng)計性指標，如電壓波動、諧波分析等；又強調了對實時性的要求，保證對暫態(tài)指標的精確分析。因此電能質量監(jiān)測系統(tǒng)應當包括強大的數據采集、處理、保存功能，明白易懂的報告系統(tǒng)，以及通用的信息共享技術，采用分布 式機構，分布與各個變電站的現場采集分析單元通過通信網絡連接成一個有機的整體，共同完成整個區(qū)域的電能質量分析和統(tǒng)計。 隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展，穩(wěn)態(tài)電能質量問題如電壓波動、頻率波動、諧波等，已經引起了足夠的重視。與此同時暫態(tài)電能質量問題越來越突出，如電壓跌落、驟升、短時斷電等現象經常發(fā)生，給用戶帶來了很大的損失。傳統(tǒng)的基于有效值理論的監(jiān)測技術由于時間窗口太長，僅測有效值已不能精確描述實際的電能質量問題，因此必須發(fā)展?jié)M足以下要求的新監(jiān)測技術： (a)針對信號擾動的隨機性，必須保證對電網信號進行全過程實時監(jiān)測； (b)能捕捉快速瞬時（ ms級、 us 級）擾動的暫態(tài)波形； (c)需要有足夠高采樣率，以便能測得相當高次諧波的信息； (d)實現不同監(jiān)測點采集數據的同步性，以便于對隨機擾動和故障信息進行離線分析 (e)建立有效的分析和自動辯識系統(tǒng)，使之能實現故障或擾動信號的自動識別； (f)實現網絡數據傳輸功能，保證數據實時通訊和信息共享。 硬件監(jiān)測平臺的特點與要求 現場監(jiān)測單元采樣頻率、精度的要求 電力系統(tǒng)中各種擾動持續(xù)時間短、隨機性強，如雷擊、系統(tǒng)故障、一些非線性負荷的投切等引起的電壓跌落、驟 升，電弧爐生產周期的變化引起的電壓波動等等。根據采樣定律，為了精確測量電網中高次諧波值以及對暫態(tài)電能質量指標進行實時測量，必須保證較高的采樣頻率。在實際電網中，諧波分析一般取 2~30 次，實際測量系統(tǒng)中的采樣頻率至少為每周期波 64 次，一般采用 128 次以上。如果每周波采樣 128 次，那么每個采樣點之間的時間間隔僅有 156us，傳統(tǒng)的 MCS5 MCS96 單片機的指令周期最快能達到 160ns，在多個通道同時采樣的情況下，很難滿足實時測量的要求，因此傳統(tǒng)的諧波分析儀僅僅能達到 19 次，對暫態(tài)指標則根本沒法分析。 由于電力系統(tǒng)中高次諧波的含有量相對于基波分量而言是非常低的，諧波次數越高其含量越低。根據數據，如果采用 12 位分辨率的 A/D 轉換芯片，僅僅因為 A/D 轉換精度不夠，對 15次諧波而言至少會引起 %的誤差，而且在實際諧波測量中我們一般測到 30 次諧波，這樣產生的誤差影響會更大，高次諧波測量數據將沒有可信性，因此現場監(jiān)測單元中 A/D 轉換器的分辨率至少應保證問 14位以上。 電能質量分析及其監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計 11 監(jiān)測系統(tǒng)同步采樣的要求 電能質量監(jiān)測的交流信號主要有： 4 中電壓信號 Ua、 Ub、 Uc、 Uo 和五種電流信號Ia、 Ib、 Ic、 3Io、 In。目前電力系統(tǒng)各種監(jiān)測儀器中采用的采樣方式一般為：“多路開關 +采樣保持 +A/D 轉換”模式，這種模式硬件設計簡單，成本低。在同步性要求不高的系統(tǒng)中可以得到很好的結果。但是在諧波分析中如果采用這種方式，即使在每周波采樣128 點的情況下，對于 19 次諧波，起相位最少也會帶來 6 度的誤差，這對于提取基波分量進行信號分析的系統(tǒng)而言，誤差可以忽略，而對于高次諧波的測量，將使測量數據沒有可信度。在這里建議采用：“采樣保持 +多路開關 +A/D 轉換”的轉換模式，這種模式對A/D 轉換器的同步性的要求大大降低。市場上可以找到“多 通道同時采樣、依次轉換”的模數轉換芯片，如 MAX125/12 AD7865 等，他們的分辨