任運(yùn)業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:隨著科技的進(jìn)步,能建筑中廣泛使用高靈敏度的現(xiàn)代化用電設(shè)備和裝置。高次諧波污染往往導(dǎo)致這些電子系統(tǒng)運(yùn)行錯(cuò)誤乃至損壞。通過諧波保護(hù)器能夠凈化電源，保護(hù)用電設(shè)備和功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備,防止保護(hù)裝置誤跳閘,從而保證設(shè)備正常穩(wěn)定地運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:智能建筑;諧波，諧波污染;諧波保護(hù)器;諧波治理;電能質(zhì)量

0引言

為了適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)信息化與經(jīng)濟(jì)國際化的需要,智能建筑中使用了大量的現(xiàn)代化用電設(shè)備和裝置,如通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)控制設(shè)備、變頻空調(diào)、數(shù)碼辦公設(shè)備、燈光調(diào)控設(shè)備、消防系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等,惡劣的諧波環(huán)境對(duì)保證系統(tǒng)和設(shè)備的正常運(yùn)行造成了較大的威脅。

電子計(jì)算機(jī)、微處理器以及其他電子儀器設(shè)備普遍存在著絕緣強(qiáng)度低、對(duì)諧波環(huán)境要求高、過電壓耐受能力差等缺點(diǎn)。高次諧波污染往往使得這些高靈敏度的電子系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)程序運(yùn)行錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、時(shí)間錯(cuò)誤、死機(jī)無故重新啟動(dòng),甚至造成用電設(shè)備的損壞,給人們的工作和日常生活造成了巨大損失。

在消除或抑制諧波危害方面,智能建筑系統(tǒng)以往只是采取一些防范措施(如根據(jù)負(fù)載確定電力變壓器額定容量時(shí),考慮諧波畸變而留有裕量;為易受干擾設(shè)備加裝線路濾波器等)。這些措施無法從根本上消除諧波危害。

采用改良技術(shù)的諧波保護(hù)裝置(HPD)能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾,從發(fā)生源消除諧波，自動(dòng)消除對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)高次諧波高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。

1諧波的危害及防范

電網(wǎng)諧波(分量)的定義為:對(duì)周期性交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解,得到的頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量。理想的供電應(yīng)是單一恒定頻率與規(guī)定幅值的穩(wěn)定電壓。但隨著各種新型、多功能用電設(shè)備的不斷更新，這些非線性電氣設(shè)備使電網(wǎng)電壓、電流波形實(shí)際上是不同程度畸變的非正弦波。非正弦波含有對(duì)人體及用戶設(shè)備產(chǎn)生危害的高次諧波。

智能建筑中諧波主要來自兩方面。一是大量非線性負(fù)荷形成的諧波源,例如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)電源、電子式熒光整流器等導(dǎo)致配電系統(tǒng)的電壓電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生諧波;二是公用電網(wǎng)本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產(chǎn)生的諧波,由公用電網(wǎng)側(cè)傳輸至配電系統(tǒng)。

1.1諧波產(chǎn)生的危害

惡劣的諧波環(huán)境將會(huì)對(duì)智能建筑中用電設(shè)備和系統(tǒng)造成巨大的危害。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)電腦死機(jī)。于設(shè)自身生的接電流在設(shè)備和真實(shí)地之間產(chǎn)生一個(gè)電壓降，因此，容易使電腦死機(jī)。雖然設(shè)備能將這種擾動(dòng)的敏感性降低,但不能wan全消除,特別是當(dāng)噪聲頻率較高的時(shí)候。

(2)屏幕頻閃。高次諧波會(huì)在中性線上疊加,中性線電流能夠在建筑物金屬結(jié)構(gòu)上任意流動(dòng)，從而產(chǎn)生不受控制的磁場(chǎng)，即引發(fā)計(jì)算機(jī)屏幕的頻閃現(xiàn)象。

(3)燈光頻閃。由于開關(guān)短路以及負(fù)載變化而引起的短時(shí)間電壓變化將會(huì)引起燈光頻閃過度的頻閃將會(huì)使人體不舒服。

(4)影響控制裝置的正常運(yùn)行。嚴(yán)重的諧波畸變會(huì)引起在一個(gè)正弦周波內(nèi)的額外過零點(diǎn)，影響測(cè)試設(shè)備，干擾程序控制裝置的同步性，導(dǎo)致控制裝置死機(jī)。

(5)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)堵塞。智能建筑中線纜密布系統(tǒng)設(shè)備繁多,微電子裝備復(fù)雜,且防護(hù)能力弱高次諧波將會(huì)使智能化系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生誤碼、錯(cuò)碼誤動(dòng)作,使信號(hào)系統(tǒng)受到污染、產(chǎn)生噪聲甚至連通話質(zhì)量都不能保證。隨著低電壓信號(hào)在IT設(shè)備中使用的增加,比特錯(cuò)誤率也隨之提高,甚至可以高到使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

(6)功數(shù)補(bǔ)償設(shè)產(chǎn)故。在電壓作用下,電容器會(huì)產(chǎn)生額外的功率損耗加快絕緣介質(zhì)的老化。更為嚴(yán)重的是,大量諧波電流很可能引發(fā)電容器和系統(tǒng)其他元件之間的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振,造成電容器超載而損壞;使與電容器連接的配電回路中所有線路、設(shè)備因電壓閃變、超壓、過負(fù)荷而損壞。據(jù)統(tǒng)計(jì),七成以上的諧波故障發(fā)生在電容器裝置上。

(7)保護(hù)裝置誤跳閘。配電回路的諧波電流含量高會(huì)使斷路器遮斷能力降低。這是因?yàn)榛冸娏鬟^零點(diǎn)時(shí),電弧電流隨時(shí)間的變化要比工頻正弦電流大,電弧電壓的恢復(fù)要迅速得多,使電弧容易重燃導(dǎo)致誤跳閘或在該跳閘的時(shí)候根本不跳。剩余電流可能會(huì)達(dá)到使剩余電流保護(hù)裝置動(dòng)作的設(shè)定值。事實(shí)表明,空氣電磁斷路器不能遮斷其分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)波形變率超過五成的故障電流，而且還會(huì)導(dǎo)致斷路器損壞。

(8)嚴(yán)重干擾感應(yīng)式電能表。在諧波環(huán)境下,電能表記錄的是基波電能及部分諧波電能諧波電能會(huì)使得用電設(shè)備性能變壞，因此用戶不但多交電費(fèi),而且利益受到損。

(9)在負(fù)載適中情況下變壓器過熱。諧波會(huì)引起變壓器的額外損耗,這些損耗將會(huì)導(dǎo)致變壓器早期故障。隨著當(dāng)前裝置需要運(yùn)行到限值的趨勢(shì)以及低電壓系統(tǒng)日益增加的諧波污染，這個(gè)問題也變得日趨嚴(yán)重。

(10)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)損耗。電壓諧波會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額外損耗。高次諧波導(dǎo)致的扭矩脈動(dòng)在聯(lián)軸器和軸承處會(huì)產(chǎn)生磨損和裂紋。由于電機(jī)速度是固定的，諧波中儲(chǔ)藏的能量就以額外的熱量形式散發(fā)了,導(dǎo)致設(shè)備過早老化。

(11)集膚效應(yīng)引起的導(dǎo)線過熱。對(duì)于電力電纜和配電線路,諧波電流頻率增高會(huì)引起明顯的集膚效應(yīng)導(dǎo)線電阻增大(如一根直徑為20mm的導(dǎo)線在350H時(shí)具有比其直流電阻率高六成的視在電阻),線損加大，發(fā)熱增加,絕緣過早老化,容易發(fā)生接地短路故障,形成潛在的火災(zāi)隱患。在智能建筑中大量集中使用電子計(jì)算機(jī)和大面積采用電子節(jié)能氣體光源照明的場(chǎng)合,中性線電流甚至達(dá)到相線電流的2倍致使中性線過熱燒毀,甚至導(dǎo)致火災(zāi)。

1.2諧波污染的主要防范措施

為保證智能建對(duì)3A系統(tǒng)(自動(dòng)化系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)通信自動(dòng)化系統(tǒng))運(yùn)行的高可靠性要求，在設(shè)計(jì)和施工階段，目前主要采取以下措施預(yù)防諧波對(duì)電子設(shè)備的干擾。

(1)為電子設(shè)備設(shè)計(jì)回路供電,盡可能避免諧波干擾沿供電線路竄人。

(2)為易受干擾設(shè)備加裝線路濾波器,消除或抑制諧波分量,達(dá)到凈化電源的目的。

(3)該設(shè)備配盡能離電流畸變嚴(yán)重的線路,以避免空間電磁干擾。

然而,這些措施卻不是從源頭對(duì)諧波污染進(jìn)行治理。

2諧波保護(hù)裝置

某公司推出的諧波保護(hù)器從源頭消除了諧波污染,為用電設(shè)備提供諧波保護(hù)功能。HPD采用了超微晶合金材料與創(chuàng)新科技的特別電路，在2kHz10MH頻段內(nèi)有較好的濾波吸收效果,對(duì)用電設(shè)備產(chǎn)生的隨機(jī)高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾具有抑制和吸收作用;隨時(shí)測(cè)量電壓波形,瞬時(shí)濾除電源中的尖峰浪涌(雷電)、雜波,矯正因諧波影響而產(chǎn)生畸變的電壓波形;除對(duì)電源中的干擾噪聲有濾波作用外，還對(duì)電源波形有矯正作用,把有用的電能返還到電源,達(dá)到提高電能質(zhì)量的效果。

2.1 HPD工作原理

HPD的工作原理如圖1所示。

圖1HPD的工作原理

首先要探知電壓瞬間急劇變化的情況，根據(jù)感應(yīng)線圈的成分，使能源延遲接收;根據(jù)電容器的成分,將能源先暫時(shí)儲(chǔ)存;當(dāng)逆向電壓繼續(xù)變化時(shí),將能源返還原處后取消;用電壓變化之差,將多余的能源分割成復(fù)數(shù)諧振成分后返回;根據(jù)內(nèi)部阻抗(電阻)的成分，以熱能形式逐漸消耗。HPD將電源線上傳輸?shù)牟恍枰脑肼暢煞肿鳛闊崃咳课斩粊G棄。將能源返還到電源線上的同時(shí)形成清潔、光滑的電源波形。在這里高科技的超微晶合金材料起到了重要作用。HPD使用時(shí)并聯(lián)在電路中,本身不耗電.

HPD典型接線圖如圖2所示

圖2HPD典型接線圖

2.2 HPD功能

(1)自保護(hù)用電設(shè)。于設(shè)自身產(chǎn)的接地電流在設(shè)備和地之間會(huì)引發(fā)一個(gè)電壓降當(dāng)噪聲頻率較高時(shí),很容易造成計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備、PLC電機(jī)、電器等死機(jī)。HPD能自動(dòng)消除具有破壞性的高次諧波、高頻噪聲、浪涌、尖峰瞬變等,確保了用電設(shè)備的使用壽命。

(2)凈化電源。HPD具有很強(qiáng)的抑制諧波能力,可消除九成九的因各種諧波引起的電壓電流的畸變，防止諧波引發(fā)的計(jì)算機(jī)屏幕頻閃，以及由于開關(guān)、短路、負(fù)載變化引起的燈光頻閃。

(3)保護(hù)補(bǔ)償備。高率可能和雜散的電網(wǎng)電感及功率因數(shù)補(bǔ)償(PFC)設(shè)備組合的諧波頻率形成并聯(lián)諧振回路,諧振電路引起的諧波放大使電壓和電流波形畸變更為嚴(yán)重,從而導(dǎo)致設(shè)備過早出現(xiàn)故障。HPD消除了諧波污染確保了功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命(4)防止保護(hù)裝置的誤跳閘。諧波電流會(huì)導(dǎo)致斷路器誤跳閘或是在該跳閘的時(shí)候根本不跳HPD可有效防止保護(hù)裝置誤跳閘。

2.3 HPD用場(chǎng)合

(1)計(jì)算機(jī)電子設(shè)備PLC電機(jī)電器等

(2)凈化電源，消除浪涌、尖峰電壓、電路噪聲和靜電等干擾。

(3)晶閘管整流裝置

(4)絕緣電阻。導(dǎo)電部分與外殼間絕緣電阻 ≥50 Mn(冷態(tài))。

(5)電腦服器(包括流水生產(chǎn)線上的各類服電機(jī)等)。

(6)電子光裝置。

(7)電子鎮(zhèn)流裝置。

(8)各類高壓燈具(如碘鎢燈、汞燈節(jié)能燈、日光燈等)。

(9)電腦供電系統(tǒng)

(10)不間斷電源裝置(UPS)

(11)電梯空調(diào)等。

(12)復(fù)印機(jī)微爐像機(jī)電視機(jī)及各充電器等日常辦公生活用電器。

(13)電腦網(wǎng)絡(luò)。

2.4 HPD主要性能指標(biāo)

(1)額定電壓。額定電壓為250V，50/60HZ

(2)鉗位電壓。相(L)對(duì)中性(N)電壓為510V

(3)抗浪涌電流。對(duì)2500V的浪涌電壓(1.2/50us),浪涌電流不超過12000A(8/2048)

(4)絕緣電阻。導(dǎo)電部分與外殼間絕緣電陽≥50MN(冷態(tài))。

(5)耐壓。導(dǎo)電部與外殼應(yīng)能承受電AC2000V，歷時(shí)1min，無擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象(試驗(yàn)時(shí)電路中的并接在L和N之間的兩只聯(lián)電容應(yīng)斷開)。

(6)剩余電流。相線對(duì)地中性線對(duì)地間的剩余電流S2mA(冷)。

(7)濾波效能。并接在網(wǎng)電源上對(duì)網(wǎng)電源中的尖峰瞬變和2kHz~10MH雜波有明顯的濾波效果。在頻率100kHz左右不低于40dB。

(8)其他。功耗:小于3W;接點(diǎn)容量:50A:外殼;鑄鋁;安裝尺寸;122mmx100mmx65mm;端子:酚醛樹脂，耐高溫900C。

3 安科瑞APF有源濾波器產(chǎn)品選型

3.1產(chǎn)品特點(diǎn)

(1)DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時(shí)間短，全數(shù)字控制算法，運(yùn)行穩(wěn)定；

(2)一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對(duì)2～51次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；

(3)具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；

(4)模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響；

(7)多機(jī)并聯(lián)，達(dá)到較高的電流輸出等級(jí)；

3.2型號(hào)說明

3.3尺寸說明

3.4產(chǎn)品實(shí)物展示

ANAPF有源濾波器

4 安科瑞智能電容器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)尋找適宜投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

4.2型號(hào)說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

4.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案

5結(jié)語

智能建筑中的諧波污染對(duì)設(shè)備造成了大量危害。脈沖干擾會(huì)導(dǎo)致電子器件、設(shè)備的損壞,計(jì)算機(jī)及應(yīng)用計(jì)算技術(shù)的儀表程序錯(cuò)誤,存儲(chǔ)丟失甚至系統(tǒng)損壞。在實(shí)際工作中,由于諧波具有多發(fā)性隨機(jī)性和不可重復(fù)性,使設(shè)備性能下降、無法工作的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。為保證現(xiàn)代智能建筑中各種不同類型設(shè)備和計(jì)算機(jī)及電子裝置正?？煽?、穩(wěn)定地運(yùn)行,所以要采取相應(yīng)措施,消除對(duì)用電設(shè)備具有破壞性的高次諧波、高頻噪聲、浪涌、尖峰瞬變等,防止計(jì)算機(jī)電子設(shè)備、PLC、電機(jī)電器等死機(jī),確保用電設(shè)備的使用壽命。

參考文獻(xiàn):

[1]戴瑜興,張義兵，故慶偉智能建筑諧波和無功功率[1]的綜合治理[J].電工技術(shù)雜志，2003(12):31-33.

[2]鄭國興.諧波保護(hù)器及其在智能建筑中的應(yīng)用[J].低壓電器,2007(20):55-58.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2022.05版.

作者簡(jiǎn)介

任運(yùn)業(yè)，男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。