建筑物电气设备谐波故障研究

胡 杰, 袁 丽

(1.萍乡供电公司, 江西 萍乡 337000; 2.萍乡矿业集团有限责任公司, 江西 萍乡 337000)



建筑物电气设备谐波故障研究

胡 杰1, 袁 丽2

(1.萍乡供电公司, 江西 萍乡 337000; 2.萍乡矿业集团有限责任公司, 江西 萍乡 337000)

针对谐波电流、电压对公用电网用户的用电设备产生的危害,从电力电容器、电力变压器、电力电缆等电气设备,分析谐波产生的原因。提出了降低电气设备谐波故障的措施,以满足提高电能质量的要求。

电气设备; 谐波电流; 公用电网; 谐波影响; 谐波抑制

0 引 言

随着电子产业的飞速发展,建筑物中的电梯、空调设备、荧光灯、不间断电源(Uninterrupted Power Supply,UPS)、计算机、复印机等用电负荷大都为非线性负荷,均是谐波电流的发生源。公用电网中的谐波含量和谐波引起的电气设备故障与日俱增。受谐波电流污染的公用电源,轻者干扰设备的正常运行,影响人们的正常生活,重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪,造成严重经济损失。谐波作为影响电能质量的一个重要因素,越来越受到人们的普遍关注[1-2]。

1 电力电容器

在谐波事故中,电力电容器及其串联电抗器故障所占的比例较大。谐波造成电容器可能因过电流或过电压使绝缘遭受损害或使用寿命缩短。因此,在设计上电容器应留有更大的裕度,如其最大容许电流为额定电流的1.3倍,最高容许电压为额定电压的1.1倍,热稳定试验在1.58倍额定容量和45～50 ℃的高温下进行,局部放电在2.15倍额定电压的条件下开始。由于电力电容器的阻抗与谐波次数成反比,谐波电流极易流入,造成电容器过负荷过热而损坏,引起电网谐振的谐波扩大,特别是小容量的电容器谐波谐振点极易移动。为防止谐波电流的扩大,必须设置串联电抗器,抑制电容器的涌流。

仅有电容器的场合(容性阻抗),采用与电抗器串联组合的方法,可防止或降低感性电路谐波扩大引起的谐振。带串联电抗器的电力电容器组的谐波阻抗为

(1)

式中:a——串联电抗器的百分电抗值;n——谐波次数;Xc——电容器的基波容抗值。

如在带6%串联电抗器中,当a=6,n=5时,Zc5=0.1Xc,即5次谐波阻抗较基波阻抗减小至10%,在380 V电网中5次谐波电压允许值为4%。电容器除了要承受基波电流外,还要承受基波电流40%的5次谐波电流,在6 kV、10 kV公用电网中5次谐波电压限值为0.032,该电压等级的电容器串联6%的电抗器,要承受最大为32%的5次谐波电流。在上述场合中,带6%串联电抗器的电容器组都可能超过电力电容器的最大允许电流(130%)。带8%串联电抗器的电容器组5次谐波阻抗Zc5=0.2Xc,即为带6%串联电抗器场合的2倍,相应流入电容器组的5次谐波电流可减少5%。

近年来,随着家电、办公自动化设备及电子式荧光灯的普及,3次谐波在这些系统中含有率增大。为了让带电抗器的电容器组的3次谐波阻抗为感性,串联电抗器的容量要在11.1%以上。带13%串联电抗器的电力电容器组的3次谐波阻抗Zc3=0.057Xc,而带8%串联电抗器的电力电容器组的3次谐波阻抗Zc3=0.093Xc。由于容抗易与系统电抗耦合引起谐振,使谐波扩大,故在电网含3次谐波较多的场合要选用13%的串联电抗器[3-4]。

电力电容器串联电抗器选择如表1所示。

表1 电力电容器串联电抗器选择

谐波次数n串联电抗器电抗百分值/%选定串联电抗器电抗百分值/%3>11.113,155>4.06,8,137>2.1>6>11>0.8>6

电力电容器串联电抗器谐振特性如表2所示。

表2 电力电容器串联电抗器谐振特性

串联电抗器电抗百分值/%谐波次数n3次谐波5次谐波64.08扩大抑制83.54扩大抑制132.77抑制抑制

从表1、表2可以看出,电力电容器带6%的串联电抗器时,若系统内有较大的高次谐波源,电力电容器要超过最大允许电流,故在3次谐波较少的场合设置8%的串联电抗器有利,而在5次谐波及3次谐波较大的场合要选用13%的串联电抗器。若电力电容器使用时超过最大允许电流,则要降低电容器的额定电压[5]。

2 电力变压器

谐波电流(特别是3次及其倍数谐波电流)侵入三角形连接的变压器,会在其绕组中形成环流,使绕组发热。在Y形连接中性线接地系统中,侵入变压器中性线的3次谐波电流会使中性线发热。电力变压器由于谐波电流使铁心伸缩,导致噪声增加,同时由于变压器受谐波影响导致铜损、铁损增加,变压器温度升高而容量降低。

2.1 谐波产生的铜损

谐波使铜损增加,其中除电阻损耗外,导体中的涡流损耗以及导体以外部分的漏磁使杂散损耗增加,导致变压器线圈温度上升。变压器的铜损为

(2)

式中:In——额定电流;R——线圈的直流电阻;β——基波杂散损耗系数;n——谐波次数;m——磁滞系数,取1.6～2.5。

式(2)中,第一项为电阻损耗,第二项为杂散损耗,其中包括涡流损耗。若变压器流入谐波电流,则必须降低其额定电流。因此,在选择变压器额定容量时需分析电网中的谐波含量。

2.2 谐波导致的铁损

铁损主要由硅钢片磁滞损耗和涡流损耗增加所致。在频率一定的场合,铁损为

(3)

式中:f——电源频率;Bm——铁心中磁感应强度峰值;V——铁心材料的体积;Kf——基波的波形率,取1.11;Ke——畸变波的波形率;K1、K2——系数。

在畸变波场合,铁损为

(4)

式(3)、(4)中,第一项为磁滞损耗,第二项为涡流损耗,其比率约为0.8∶0.2。因此,即使电压波形率变化,涡流损耗也不会有很大影响。磁滞损耗与电压波形率成m次反比例变化,故电压波形率变化会导致磁滞损耗增加。

2.3 谐波导致的噪声

变压器的振动噪声是由于铁心的磁滞伸缩造成的。随着谐波次数增加,振动频率在1 kHz附近的部分使混杂噪声增加,发生金属音的情况。对于负荷侧导致的谐波场合,组装电抗器、过滤器能减少谐波噪声。

2.4 解决措施

变压器设计中应留有温升裕量,铁心磁通密度必须低,在选用变压器额定容量时由于电网谐波的存在而留有裕量。

除上述谐波直接影响变压器外,在变压器负荷电流中含有3次谐波及其倍数谐波的场合(在中性线接地系统中),中性点谐波电流不等于0,在中性线上流经零序电流,中性线可能过热,所以在中性线及其出线端子的截面选择中要考虑谐波。

3 电力电缆

电力电缆的阻抗由电阻、电感及电容组成,电阻、电感与电缆线路串联,电容与电缆线路并联,谐波对电缆线路的影响按电缆线路的参数而定。

3.1 电缆线路的电阻和电感

导体截面面积越大,引起的集肤效应越大,导致导体交流电阻增大,谐波含量大,必须减小电缆的允许电流。

交流导体电阻为

r=r0[1+α(T1-T0)](1+λS+λP)

(5)

式中:r0——Τ0时的直流导体电阻;α——电阻温度系数;T0——环境温度;T1——导体允许的最高温度;λS——集肤效应系数;λP——邻近效应系数。

交流导体电感为

L=0.05μ+0.460 5lg d/R

(6)

式中:μ——导体磁;d——导体中心距;R——导体半径。

交流导体感抗为

Xn=2πfnL×10-3

(7)

式中:n——谐波次数;f——基波频率;L——电感。

3.2 电缆线路的电容

为提高功率因数,线路的电容值比电容器的电容值要小得多,无金属铠装的低压电缆的电容值更小。因此,线路受谐波的影响不大,但在线路较长时考虑谐波影响。电缆线路电容为

C=(0.024 13/lg d1/R)ε

(8)

式中:d1——绝缘体外径;R——绝缘体电阻;ε——绝缘体介电常数。

换算至电容器容量为

Q=2πfnCu2×10-9

(9)

式中:f——基波频率;n——谐波次数;C——电容;u——电压。

3.3 三相四线制的回路

在三相四线制的回路中,若存在3次谐波及其倍数的谐波电流,在中性线流过零序电流,连接干线电缆时必须进行中性线的3次谐波及其倍数谐波电流的校核。

4 低压开关设备

低压开关设备故障种类如表3所示。低压开关设备谐波故障原因如表4所示。

表3 低压开关设备谐波故障

设备名称故障种类塑壳断路器异常发热,误动作剩余电流断路器异常发热,误动作,不动作电磁接触器异常发热热继电器端子部件异常发热,误动作

表4 低压开关设备谐波故障原因

故障种类原因异常发热 谐波电流使接点线圈发热不动作 谐波时灵敏度电流变大误动作 通过负荷及电路对地电容,谐波泄漏电流(事故以外的泄漏电流)变大而发生误动作。

在电源回路中,谐波电流重叠发生的场合,可按下述情况选择低压开关设备,以减少谐波的危害。

(1) 塑壳断路器。

① 全电磁型:由于铁损增加而发热,对电磁铁及涡流的影响使脱扣困难,谐波次数越高影响越大。

② 热动电磁型:降低额定电流时使用,由于导体的集肤效应,铁损增加,脱扣电流降低。

③ 电子型:降低额定电流时使用,在脱扣方式中包括有效值检出和峰值检出。

(2) 剩余电流断路器:其过电流脱扣与塑壳断路器一样,选定额定灵敏度电流时要计入谐波泄漏电流。

(3) 电磁接触器:降低额定电流时使用,由于磁性部件温升加大,接点、线圈温度升高,可使额定电流下降。

(4) 热继电器:降低额定电流时使用。

5 结 语

随着非线性电力设备的广泛应用,电力系统中谐波问题越来越严重,造成了电力设备的损坏,加速绝缘老化,影响了电子设备的正常工作。本文提出了电气设备的谐波抑制措施和方法,希望给电气设计人员提供参考。

[1] 电能质量 公用电网谐波:GB/T 14549—1993[S].

[2] 王兆安,杨君,刘进君,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3] LEHN P W.Direct harmonic analysis of the voltage source converter[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2003,18(3):1034-1042.

[4] 王琪辉,刘涛.民用建筑用电中的谐波危害及抑制[J].重庆建筑大学学报,2001,23(2):81-86.

[5] 吕润如.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社,1998.

Fault Analysis on Harmonic for Electrical Equipments in Building

HU Jie1, YUAN Li2

(1.Pingxiang Power Supply Company of State Grid, Pingxiang 337000, China 2.Pingxiang Mining Industry Group Co., Ltd., Pingxiang 337000, China)

Aimed at the faults that the harmonic current and voltage arouse to electrical equipment of public electrified net consumers,how the harmonic occurs was analyzed for the power capacitor,power transformer,power cable etc.And measures to reduce the fault caused by harmonic were proposed for these electrical equipments in order to satisfy the request to improve the quality of electric energy.

electrical equipment; harmonic current; public electric network; harmonic influence; harmonic restraining

胡 杰(1979—),男,工程师,从事电力系统谐波分析及治理方面的工作。

袁 丽(1982—),女,从事配电网规划技术方面的工作。

TU 852

B

1674-8417(2016)08-0034-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.08.009

2016-04-12