帶中性線低壓供電系統(tǒng)的三次諧波及濾波

1、帶中性線低壓供電系統(tǒng)的三次諧波及濾波 三次諧波源輸電及配電系統(tǒng)規(guī)定：在頻率恒定情況下，電壓和電流均以正弦波波形運(yùn)行。然而在非線性負(fù)荷接入系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)生的附加的諧波電流會(huì)引起電流和電壓畸變。產(chǎn)生三次諧波的非線性單相負(fù)荷主要有（不考慮暫態(tài)及非正常工作狀態(tài)）：（）熒光燈、節(jié)能燈及其鎮(zhèn)流器；市場(chǎng)調(diào)查表明，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)絕大多數(shù)的熒光燈電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量高達(dá)8090；高檔的電子鎮(zhèn)流器三次諧波電流含量分三種標(biāo)準(zhǔn)：L標(biāo)準(zhǔn)：其諧波電流含量37；H標(biāo)準(zhǔn)：其諧波電流含量30；帶燈絲預(yù)熱控制的電子鎮(zhèn)流器其諧波電流含量10。市場(chǎng)上的商品實(shí)際上達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求；節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定THDI20，其中三次諧波電流含

2、量占主要成分。 （）電弧焊接設(shè)備（電弧的非線性類負(fù)荷）；（）計(jì)算機(jī)開關(guān)型電源及顯示器（大型顯示屏幕）；（）彩色電視機(jī)及監(jiān)視器，如證券公司、體育場(chǎng)館、商業(yè)中心和新聞中心的電視墻的顯示幕墻。普通型彩色電視機(jī)THDI可達(dá)127，三次諧波電流含量高達(dá)90；（）晶閘管調(diào)壓電源（如加熱器、調(diào)光器、電化學(xué)電源等）；（）晶閘管調(diào)功電源（如加熱器、電化學(xué)電源等）；（）整流電源（如電器的工作電源、充電器、直流傳動(dòng)及電化學(xué)電源等）；（）開關(guān)型穩(wěn)壓電源及UPS；（）變頻器（AC-DC-AC及AC-AC型）。變頻的家用電器，如空調(diào)、洗衣機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、微波爐；工業(yè)及建筑用的調(diào)速電動(dòng)機(jī)；中頻電源。 三次諧波的影響各次諧波在

3、電路中的作用是不相同的，諧波的疊加與相序有關(guān)。同一電路中的某些諧波相互作用時(shí)，會(huì)相互減弱或相互抵消。但在更多的場(chǎng)合往往相互疊加，使波形發(fā)生明顯的畸變。只有次諧波出現(xiàn)時(shí)；相線與中性線之間的非線性負(fù)荷產(chǎn)生三次諧波電流，并在中性線進(jìn)行疊加。由于三次諧波及其倍數(shù)次諧波呈零序特征，因此中性線上的三次諧波電流是三相中三次諧波電流的代數(shù)和，會(huì)引起過載風(fēng)險(xiǎn)使所有的諧波電流造成電流和電壓畸變，還形成150Hz的電磁場(chǎng)，對(duì)其周圍的電子控制、保護(hù)及通信設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，主要表現(xiàn)為：（）因?yàn)槿沃C波的零序性，低壓母線上的三次諧波電壓主要與中性線的三次諧波電流有關(guān)；當(dāng)變壓器接法為Y-Yn0時(shí)，零序性的三次諧波電流將成

4、為勵(lì)磁電流，在此零序勵(lì)磁電抗上產(chǎn)生較大的壓降，即三次諧波電壓，很容易造成低壓母線上的電壓總畸變率超標(biāo)； 當(dāng)變壓器接法為-Yn0時(shí)，10kV側(cè)的變壓器繞組形成三次諧波電流流通的回路，該回路阻抗為變壓器漏抗，遠(yuǎn)較零序勵(lì)磁阻抗小，約為1/20左右，從而不會(huì)在低壓母線產(chǎn)生很大的三次諧波電壓；（）如果低壓三相的三次諧波電流不平衡，則存在正序和負(fù)序的三次諧波分量：如果配電變壓器為Y-Yn0接線，低壓側(cè)正序和負(fù)序的三次諧波電流會(huì)在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出三次諧波電壓，對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生影響；如果配電變壓器為-Yn11接線，低壓側(cè)正序和負(fù)序的三次諧波電流在高壓側(cè)繞組感應(yīng)出的三次諧波電流在繞組形成環(huán)流，對(duì)高壓側(cè)產(chǎn)生的三次諧波

5、影響要比變壓器為Y-Yn0接線時(shí)小，但增加了變壓器高壓繞組的損耗。（）由于中性線中三相負(fù)荷不平衡引起的工頻電流和三次諧波電流的疊加有可能大于相電流，當(dāng)三相的三次諧波平衡時(shí)，由于Y-Yn0接線的變壓器鐵芯中零序的三次諧波無通路，磁通只能經(jīng)鐵心、空氣和外殼等構(gòu)成回路，產(chǎn)生附加損耗和局部過熱；而在-Yn11接線中，繞組為三次諧波電流提供通路，它所產(chǎn)生的三次諧波磁通將抵消鐵芯中的原三次諧波磁通，從而使鐵心中的合成磁通基本上呈正弦波，減少了附加損耗，但諧波電流的存在使因子(因諧波發(fā)熱而降低變壓器輸送能力，正常值為1.0)和電流波峰系數(shù)增大，造成供電變壓器的利用率下降或過載；（）由于中性線中電流過大，使配

6、電系統(tǒng)中性線的電纜、導(dǎo)線出現(xiàn)過負(fù)荷引起絕緣老化加速，增加了火災(zāi)隱患。主要原因有：國(guó)內(nèi)普遍選取中性線導(dǎo)體的截面積是相線的50；已運(yùn)行的許多按老標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的33； 已運(yùn)行的許多按新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造的電纜中，中性線導(dǎo)體的截面積是相線的50； 中性線與相線導(dǎo)體選取相同截面積，無論工程設(shè)計(jì)、材料制造、安裝、投入使用所占的比例都很小。（）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統(tǒng)中其他設(shè)備和材料的損耗，引起附加發(fā)熱、加速絕緣老化、減少使用壽命；（）由于電流和電壓畸變，增加了供電系統(tǒng)中設(shè)備和材料的振動(dòng)和噪音；（）由于電流和電壓畸變，使無功補(bǔ)償電容器組由于并聯(lián)諧振而損壞，電動(dòng)機(jī)等繞組類

7、設(shè)備絕緣擊穿而損壞；（）電流和電壓畸變及150Hz電磁場(chǎng)：引起測(cè)量精確度異常，對(duì)控制所需要的同步信號(hào)的捕捉與鎖相條件惡化、干擾增加，從而使電子控制、測(cè)量、保護(hù)及通信設(shè)備運(yùn)行不正常； （）對(duì)用UPS供電的廣播電視節(jié)目錄制及播放系統(tǒng)產(chǎn)生附加背景噪聲，并損壞UPS設(shè)備； （）使照明光源閃爍而損壞；圖像顯示設(shè)備頻閃，顯示失真；（）三次諧波電流對(duì)其他設(shè)備和器材的負(fù)面影響要大于其對(duì)產(chǎn)生三次諧波電流的諧波源的影響。 三次諧波濾波濾波器與諧波源越近，濾波效果越好，這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。尤其適用于非線性負(fù)荷的供電點(diǎn)集中、又與線性負(fù)荷共由一個(gè)變壓器供電的情況。如果三次諧波電流引起的三次諧波電壓

8、畸變及變壓器過載是主要問題，建議在主電源配電柜裝設(shè)濾波器。目前，工程中對(duì)帶中性線低壓供電系統(tǒng)降低三次諧波的方式主要有種：（）被動(dòng)式并聯(lián)型濾波器（可以廣泛使用）；（）被動(dòng)式串聯(lián)型的濾波器（由于使低壓母線上的諧波電壓升高，不但不能消除非線性負(fù)荷之間的相互干擾，反而增大了對(duì)線性負(fù)荷的干擾；由于增加了中性線的阻抗，引起配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)靈敏度下降）；（）帶中性線的有源濾波器；并聯(lián)型（可以推廣使用）；串聯(lián)型（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）；并聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器并聯(lián)使用（可以推廣使用）；串聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器并聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）； 串聯(lián)型有源濾波器與被動(dòng)式濾波器

9、串聯(lián)使用（目前由于商用產(chǎn)品較少，很少使用）。 （）雙Z接線的變壓器利用變壓器原、付邊繞組的曲折接線來消除電源側(cè)諧波對(duì)負(fù)荷的影響和負(fù)荷側(cè)諧波對(duì)電源側(cè)的影響，具有消除諧波的功能。既可以作為供電變壓器也可以作為隔離變壓器，適用于三相式負(fù)荷：對(duì)單獨(dú)的非線性負(fù)荷單獨(dú)裝設(shè)；對(duì)集中的非線性負(fù)荷裝設(shè)（不能消除非線性負(fù)荷之間的相互干擾）。 被動(dòng)式并聯(lián)型濾波器 濾波器的構(gòu)成。濾波器由電容器串聯(lián)電抗器構(gòu)成，諧波濾波器產(chǎn)生基波無功功率，以達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)。電抗器的電感值選擇使其對(duì)三次諧波形成很低阻抗的串聯(lián)諧振大部分的諧波電流可被濾除。 諧波濾波器通常根據(jù)具體項(xiàng)目的測(cè)量結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)元件組合而成，這樣可以保障以合理的投資

10、獲得最佳的無功功率補(bǔ)償和諧波濾波效果。 濾波器與供電系統(tǒng)的連接濾波器一次回路與主配電母線或分配電母線經(jīng)帶斷路器或熔斷器的饋線相并聯(lián)。 濾波器的控制方式。（）與常見的補(bǔ)償電容器組一樣，它可以由一臺(tái)功率因數(shù)調(diào)整器、控制電容器專用接觸器、投入和切除；（）可以根據(jù)中性線中的電流，由外部的電流繼電器控制其投入和切除； （）濾波器與負(fù)荷控制同步。 濾波器的保護(hù)方式（）利用濾波器進(jìn)線前的帶復(fù)式脫扣功能的斷流器；（）利用濾波器進(jìn)線前的熔斷器；（）濾波器柜內(nèi)的過電壓、過負(fù)荷繼電保護(hù)；（）低壓金屬化全膜電容器的內(nèi)附熔絲保護(hù)。 確定濾波器所需要的數(shù)據(jù)（）中性線或相線中的三次諧波電流；（）濾波器接入點(diǎn)的電壓畸變（相對(duì)

11、中性線）；（）需要的無功補(bǔ)償功率；（）變壓器的容量（S/kVA）及短路阻抗百分比（Zk）；（）安裝地點(diǎn)（主配電柜或分配電柜）。 被動(dòng)式串聯(lián)型的濾波器 濾波器的構(gòu)成濾波器由電容器并聯(lián)電抗器構(gòu)成，然后串聯(lián)在供電系統(tǒng)的中性線上。電容器電容與電抗器電感值的選擇：（）對(duì)50Hz工頻形成很低阻抗的串聯(lián)諧振，以利于三相不平衡負(fù)荷引起的負(fù)序工頻電流在中性線和串接的濾波器中無障礙流通；（）對(duì)150Hz三次諧波形成很高阻抗的串聯(lián)諧振，以阻礙單相非線性負(fù)荷產(chǎn)生的電流源性質(zhì)的三次諧波電流在中性線上流通，其結(jié)果是絕大部分的三次諧波電流被阻斷。 濾波器與供電系統(tǒng)的連接濾波器一次回路與配電系統(tǒng)的中性線相串連。 濾波器的控制

12、方式通過旁路開關(guān)和旁路接觸器手動(dòng)投入或切除。 濾波器的保護(hù)方式利用綜合的檢測(cè)與保護(hù)通過旁路開關(guān)以實(shí)現(xiàn)下列要求：（）防止不平衡工頻電流在濾波器兩端引起的過電壓；（）防止三次諧波電流過載；（）供電系統(tǒng)內(nèi)部故障；（）濾波器故障。 確定濾波器所需要的數(shù)據(jù)（）中性線或相線中的三次諧波電流；（）中性線中的最大工頻電流；（）變壓器的容量（S/kVA）及短路阻抗百分比（Zk）；（）配電系統(tǒng)的接線方式；（）安裝位置的環(huán)境要求。 三相四線式的并聯(lián)型有源濾波器。并聯(lián)型有源濾波器，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控的快速反應(yīng)的諧波電流源，與非線性負(fù)荷并聯(lián)，自動(dòng)檢測(cè)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流及濾波器與系統(tǒng)連接點(diǎn)的電壓畸變。經(jīng)DSP產(chǎn)生的控

13、制信號(hào)控制IGBT高速開關(guān)器件，既將儲(chǔ)能的直流電容器上的直流電壓轉(zhuǎn)換成一系列的方波 再經(jīng)過輸出電抗器輸出與負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流，起到補(bǔ)償諧波的作用，同時(shí)又控制直流電容器上的充電電壓。其結(jié)果是系統(tǒng)只向負(fù)荷提供基波電流。 每一種并聯(lián)型有源濾波器均有三相三線和三相四線可供選擇，帶中性線的設(shè)備必須使用三相四線式，且用戶應(yīng)注意中性線上的電流是1倍、2倍還是3倍的相線電流。 目前適用的三次諧波濾波方式的對(duì)比 被動(dòng)式并聯(lián)型三次濾波器 特點(diǎn)（）可以補(bǔ)償無功功率（功率因數(shù)），同時(shí)可以濾波；（）可以降低諧波電流和諧波電壓，減少非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響

14、；（）只需考慮無功功率和諧波濾波，不受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠；（）可以對(duì)單個(gè)非線性負(fù)荷、集中非線性負(fù)荷、變壓器總供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置靈活多樣；（）控制方式靈活多樣，投切不影響供電系統(tǒng)的安全性；（）濾波器元件的運(yùn)行參數(shù)范圍明確，內(nèi)部故障保護(hù)方式成熟、可靠、簡(jiǎn)單，不影響供電系統(tǒng)正常運(yùn)行；（）可以和其他被動(dòng)式濾波器和有源型濾波器配合使用。 適用范圍帶中性線的低壓供電系統(tǒng)的三次諧波濾波和功率因數(shù)補(bǔ)償。 被動(dòng)式串聯(lián)型三次濾波器 特點(diǎn)（）可以對(duì)諧波電流進(jìn)行濾波；（）可以降低諧波電流，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響理。理論分析和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試均證明串聯(lián)型濾波器增大了低

15、壓母線上的諧波電壓，因此增大了非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾。同時(shí)由于諧波電流的阻斷和諧波電壓的升高，對(duì)于絕大多數(shù)產(chǎn)生三次諧波電流的諧波電流源性質(zhì)的非線性負(fù)荷，會(huì)影響其正常工作；（）不但要考慮諧波、濾波，還要考慮中性線上的不平衡工頻電流受濾波器外部供電系統(tǒng)故障及其他不確定因素的影響，由于增加了中性線的阻抗，引起配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)裝置的靈敏度下降，中性線的安全直接涉及到供電系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，但運(yùn)行安全可靠性低，屬于被動(dòng)式三次諧波濾波器初始的方案；（）可以對(duì)集中的非線性負(fù)荷、變壓器總的供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置不靈活；（）控制方式不靈活，投切影響供電系統(tǒng)的安全性；（）濾波器元

16、件的運(yùn)行參數(shù)范圍由于并聯(lián)振蕩不明確，內(nèi)部故障保護(hù)方式可靠性差，影響供電系統(tǒng)正常運(yùn)行；（）可以和其他被動(dòng)式濾波器和有源型濾波器配合使用。 適用范圍理論和測(cè)試數(shù)據(jù)充分證明了其安全可靠性和負(fù)面影響，在工程中慎重考慮其大量使用。 三相四線式并聯(lián)型有源濾波器（三相三線式不可使用） 特點(diǎn)（）自適應(yīng)濾波，同時(shí)補(bǔ)償無功功率（功率因數(shù)）；（）可以降低諧波電流和諧波電壓，減少非線性負(fù)荷之間及與線性負(fù)荷之間的相互干擾，降低對(duì)上級(jí)電網(wǎng)的影響；（）只需考慮無功功率和諧波濾波，不受濾波器外部供電系統(tǒng)參數(shù)的影響，運(yùn)行安全可靠；（）可以對(duì)單個(gè)非線性負(fù)荷、集中非線性負(fù)荷、變壓器總供電系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，安裝位置靈活多樣；（）控制方式自適應(yīng)，投切不影響供電系統(tǒng)的安全性；（）內(nèi)部保護(hù)安全可靠，不因諧波過載而退出運(yùn)行、擴(kuò)展容易；（）可以和被動(dòng)式濾波器配合使用。 適用范圍對(duì)補(bǔ)償效果要求非常高，而負(fù)荷產(chǎn)生的諧波無論是頻率、幅值還是相位均有較大的隨機(jī)性；低壓供電系統(tǒng)的三次及其他特征、非特征、間諧波濾波和功率因數(shù)補(bǔ)償。與被動(dòng)式濾波器的配合使用能夠發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，達(dá)到補(bǔ)償效果和經(jīng)濟(jì)性的完美結(jié)合。 結(jié)論根據(jù)對(duì)以上處理三次諧波問題的各種方法分析比較，結(jié)論如下：（）使用并聯(lián)型三次諧波