浅析谐波危害与有源滤波 安科瑞鲍静君
摘要:谐波的出现,对于电力系统运行是一种“污染”,它们降低了系统电压、电流正弦波形的质量,不但严重地影响电力系统自身运行,而且还危及用户和周围的通信系统。本文通过分析谐波的危害,并提出采用有源电力滤波器进行谐波治理的方案。
关键词: 污染;谐波危害;有源电力滤波器;治理
0 引言
近半个世纪以来,随着电力电子设备的推广应用,非线性负荷的迅速增加,特别是高压直流输电的运用,使得谐波污染问题日趋严重,并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手:一是从谐波源出发,减少谐波的产生;二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器和有源滤波器。然而,无源滤波器的滤波效果依赖于系统阻抗特性,并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响,且仅能对特定的谐波进行有效地衰减,而出于经济和占地面积方面的考虑,滤波器个数均是有限的,所以对谐波含量丰富的场合,无源滤波器的滤波效果往往不够理想。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流,克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势,因此越来越受到人们的关注。
1 谐波的产生与危害
由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛,尤其是非线性电力设备如有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。由于正弦电压加压于非线性负载,使得基波电流发生畸变产生谐波。主要谐波产生源见表1-1。
表1-1 谐波产生源
谐波使公用电网中的元件产生附加的损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热,甚至引起火灾。谐波会影响电气设备的正常工作,使电机产生机械振动和噪声等,使变压器局部严重过热,使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以致损坏。谐波会导致继电保护,特别是微机综合保护器与自动装置误动作,造成不必要的供电中断和生产损失;谐波还会使电气测量仪表计量不准确,产生计量误差,给用电管理部门或电力用户带来经济损失。临近的谐波源或较高次谐波会对通信及信息处理设备产生干扰,轻则产生噪声,降低通信质量,计算机无法正常工作;重则导致信息丢失,使工控系统崩溃。
据美国官方统计:近20年来,全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起,每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿美元!2000年4月10日,晋东南电网因运行方式的需要,220kV霍长线停电检修,220kV长治变由漳泽电厂通过220kV漳长I回单独供电,向地区网输送140MW,系统运行正常;20时18分,太焦电铁三座牵引站产生的谐波和负序电流经110kV系统注入220kV系统,引起该线路送漳泽电厂出线211开关的JGX—11A型晶体管相差高频保护误动作,造成晋东南电网瓦解和大面积停电事故,巴公电厂周波降为45.7Hz,与电网解列44分钟,晋东南11个变电站停电,电气铁道停电20多分钟,电网和用户均受到较大的损失。
谐波所产生的危害如此之严重,世界各国都对谐波问题予以充分关注。上召开了多次有关谐波问题的学术会议,不少国家和学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压(相电压)限值见表1-2:
表1-2 公用电网谐波电压(相电压)限值
2 有源电力滤波器
有源电力滤波器(APF:Active Power Filter)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿。之所以称为有源,是相对于无源LC滤波器,只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言,APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离,控制并主动输出电流的大小、频率和相位,并且快速响应,抵消负载中相应电流,实现了动态跟踪补偿,而且可以既补谐波又补无功和不平衡。
安科瑞电气股份有限公司开发的ANAPF系列有源电力滤波器,以并联方式接入电网,通过实时检测负载的谐波和无功分量,采用PWM变流技术,从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统,从而实现谐波治理和无功补偿,原理如图2-1所示:
图2-1 ANAPF有源电力滤波器原理图
安科瑞ANAPF有源电力滤波器的技术参数和报价方案分别见表2-1和表2-2。
表2-1 ANAPF有源电力滤波器技术参数
表2-2 ANAPF有源滤波器报价及主要元件清单
注:以上技术参数或器件名称、数量如有更改,恕不另行通知。
3 有源滤波方案及案例
使用有源电力滤波器进行谐波治理,主要有集中、局部和就地补偿三种方案。集中补偿适用于单台设备谐波含量小,但设备数量多、布局分散的场合,比如办公大楼(主要设备是个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等),虽然单台设备的电流小,谐波含量低,但整栋大楼的电流大,谐波电流也大。局部补偿适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统,比如医院的精密仪器、UPS电源等,虽然单台设备的电流小,谐波含量低,但为防止其他设备产生的谐波对其干扰,采用局部谐波补偿。就地补偿适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统,比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等,单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大,为防止谐波电流影响其他用电设备,采用就地补偿。
上海某工厂办公大楼内安装有大量的节能灯,另外还有变频空调、电梯等负载,产生了大量的电流谐波,导致变压器容量不足,夏季、冬季经常出现跳闸、烧保险丝的情况,严重影响办公。安科瑞电气股份有限公司派工程师对其进行现场测量,测量数据如图3-1所示。从图中可以看到电流波形严重畸变,A、B、C三相电流谐波畸变率分别为19.7%、27.8%、26.6%,远远超于国标GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的相关规定。同时三相负载明显不平衡。经分析得知电流谐波主要是由于一次回路后段照明配出回路和变频空调等动力回路产生,应采用局部补偿的方法进行治理,型号为ANAPF50-380/BGL的有源电力滤波器适用于该办公大楼的谐波治理。方案如图3-2所示。
图3-1 治理前电流波形与谐波数据
图3-2 ANAPF局部补偿方案图
4 谐波治理效果
ANAPF投入运行后,得到如图4-1所示的理想波形和测试数据,相电流*大值从64A降低到47A,N线电流从治理之前的37A降到了5A,实现了三相基本平衡,电流谐波畸变率降低到3.4%以下。同时系统功率因数也从之前的0.87升到了0.99。自从使用ANAPF有源电力滤波器之后,该办公大楼整个冬季没有出现跳闸、烧保险丝的情况,使得变压器的容量得到了充分利用。
图4-1 治理后电流波形与谐波数据
参考文献
[1]能源部电力司.GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社,1994.
[2]季晓春.有源滤波器的原理和选型计算.
[3]安科瑞电气有源电力滤波器选型手册2014.1版.
有源滤波装置在医疗机构中的重要性及应用 安科瑞鲍静君
摘要:现今科技发展日新月异,医疗水平不断提高,同时也伴随着各种大型医疗设备的引入,这些医疗设施中产生大量谐波,给医疗设备的电气安全和设备的正常工作带来严重危害,有源滤波装置成为解决这一问题的关键装置。
关键词:有源滤波装置 谐波 治理 医疗机构
0.引言
本文从分析医院中哪些设备是谐波源,分析其危害,提出治理措施,并以实际案例来分析有源滤波装置如何选型。
1.医院供配电系统谐波源
1.1医疗设备
在医疗设备中有大量的电力电子元器件,这些设备在工作时会产生大量谐波,造成污染。比较常见的设备有MRI(核磁共振仪)、CT机、X线机、DSA(心血管造影机)等。其中,MRI工作时会生成射频脉冲和交变磁场来产生核磁共振,而射频脉冲和交变磁场都会带来谐波污染;X光机中高压整流器的整流桥工作时将产生较大谐波,而且X光机为瞬时性负荷,工作时电压可达几十千伏,变压器的原边将增加60~70kw的瞬时负荷,也会增加电网谐波。
1.2电器设备
医院中的通风设备如空调、风机等,以及照明设备如荧光灯都会产生大量谐波。为了节约能源,医院中大都采用变频风机及空调。变频器是一种非常重要的谐波源,其总谐波电流畸变率THD-i达到33%以上,会产生大量5、7次谐波电流污染电网。医院内部的照明设备中,有大量的荧光灯具,也会产生大量的谐波电流。当多个荧光灯接成三相四线负载时,中线会流过很大的三次谐波电流。
1.3通信设备
目前医院均为计算机网络化管理,这就表示计算机数量、视频监控和音频设备数量很多,而这些都是典型的谐波源。此外,计算机网络管理系统中有存储数据的服务器,必须配有UPS等备用电源。UPS先将市电整流成直流电,一部分储存在电池中,另一部分通过逆变器转换成稳压交流电向负载供电;当市电终端供应时,改由电池向逆变器供电以继续工作,保证负载的正常运作。而我们知道,整流和逆变会采用到IGBT和PWM技术,所以UPS在工作时会产生大量3、5、7次谐波电流。
2.谐波对医疗设备的危害
从上面的描述中我们可以发现,医院的配电系统中有很多谐波源,会产生大量谐波(以3、5、7次谐波为*多)严重污染电网,引起谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题。这些问题都会影响医疗设备的使用。
2.1谐波对影像采集类设备的危害
由于受到谐波的影响,医疗工作人员经常会遇到设备故障。这些故障轻则发生数据差错、图像模糊、信息丢失等问题,重则损坏电路板元器件造成医疗设备无法继续正常工作;特别是一些成像设备,受到谐波影响时内部的电子元件可能会记录波动并改变输出,将导致波形图像重叠变形或模糊不清,容易造成误诊。
2.2谐波对治疗护理仪器的危害
治疗用电子仪器有很多,受谐波危害较大的是手术治疗仪器。手术治疗是指用激光、高频电磁波、放射线、微波、超声等单独的或配合传统手术的治疗。相关设备受到谐波干扰,输出信号中将含有杂波或直接放大谐波信号,对患者造成强烈的电刺激,在对某些重要部位进行治疗时,存在重大安全隐患。而护理仪器比如呼吸机、起搏器、心电监护仪等都与被监护人的生命息息相关,有些仪器的信号本身就非常微弱,当受到谐波干扰时可能导致采集信息错误甚至无法工作,给患者和医院造成重大损失。
3.谐波的治理措施
根据谐波的产生原因,其治理措施大致可分为以下三种:减少系统阻抗、限制谐波源、安装滤波装置。
3.1减少系统阻抗
要达到减少系统阻抗的目的,就要减少非线性用电设备与电源间的电气距离,换句话说就是提高供电电压等级。比如某钢厂的主要设备是电弧炉,原先用35KV供电,由两个110KV的变电所分别架设一回35KV专线供电,在35KV的母线上测得谐波分量较高;后改用一个距离只有4公里的220KV变电所架设5回35KV专线供电,母线上谐波情况明显好转,此外该厂还使用了较大容量的同步发电机,使这些非线性负荷的电气距离大大下降,使该厂产生的谐波量减少。这种方法的投资*大,需要和电网发展规划协调,适用于大型工业项目,而且医院要求不间断连续供电,一般由两个或以上变电所供电,故不优先考虑此方法。
3.2限制谐波源
此法需要改变谐波源的配置,限制大量产生谐波的工作方式,集中使用具有谐波互补性的装置使设备谐波互相抵消;增加变流装置的相数,使特征谐波次数提高,从而大大地降低谐波电流的有效值。这种方法需要重新布置设备线路,协调安排仪器的使用配合,具有较高的局限性。医院可以根据自身情况稍作调整,可以在一定程度上减少谐波量。
3.3安装滤波装置
目前常用的交流滤波装置有:无源滤波装置、有源滤波装置(APF)两种。无源滤波装置又称LC滤波装置,是利用LC谐振原理,人为地造成一条串联谐振支路,为准备滤除的特定次数谐波提供阻抗极低的通道,使之不注入电网。无源滤波装置结构简单,吸收谐波效果较明显,但于固有频率的谐波,而且补偿特性售电网阻抗的影响很大(在特定频率下,电网阻抗和LC滤波装置之间可能会发生并联谐振或串联谐振)。有源滤波装置(APF)是一种新型电力电子装置,用于动态抑制谐波、补偿无功。它能够实时的采集并分析负载的电流信号,分离各次谐波和无功,通过控制器控制变流器输出与谐波及无功电流等幅、反向的补偿电流,抵消负载中谐波电流,从而达到谐波治理的目的。有源滤波装置具有实时跟踪、响应迅速、补偿(可同时补偿无功和2~31次谐波)等显着的优点。
4 ANAPF有源滤波装置在医疗机构中的具体应用
随着人们生活水平的不断提高以及人口老龄化加速到来,医疗服务需求正在稳步增加,医疗服务产业即将进入快速增长期,而医疗行业*显着也是*重要的代表就是医院。由于医院特殊的社会价值和重要性,其电能质量问题的解决刻不容缓。
4.1 ANAPF的选型
谐波治理的好处,首先就是病患和医护人员的人身安全的到**,即通过治理谐波减少或消除其对配电系统的不良影响,保证变压器和医疗仪器的正常运行;其次直接体现经济效益,即**低压电容补偿系统的正常运行,发挥其应有的作用,降低电网中谐波含量,并且提高功率因数,减少无功损耗,延长设备使用寿命。
某市高新区人民医院配电系统,主要负载为电子医疗精密设备、照明及变频通风设备、计算机及UPS等,其主要负载谐波电流畸变率大致可参考下表。
通过现场人员了解到,此次需要治理谐波的负载集中在4台变压器下,这4台变压器容量分别为:两台1600KVA,具体参数如图1所示。
图1 苏州高新区人民医院3#变压器
两台2000KVA,具体参数如图2所示。
图2 苏州高新区人民医院5#变压器
根据变压器容量及具体设备使用情况,我们可以发现系统中多数为非线性设备,产生了大量谐波,对无功柜和其他用电设备均会产生影响。为了避免这种危害,考虑到治理效果和成本,并结合客户治理需求,根据公式(1)估算,我们此次的方案定为用两台200A的有源滤波装置和两台250A的有源滤波装置分别对4台变压器二次侧进行集中补偿。其中两台1600KVA的变压器采用200A的APF配套3000/5的采样电流互感器,两台2000KVA的变压器采用250A的APF配套4000/5的采样电流互感器。
4.2 ANAPF的安装方式
本项目柜体采用的是模块化组合式安装,如图1所示,该方式在此项目中有以下几个优点:
(1)可根据负载使用变化随时增、减APF设备的容量;
(2)每个模块单独安装散热单元,并可在柜体上加装散热风扇,散热效果良好;
(3)多个模块之间虽有通讯连接,但各台的故障并不会相互影响其它模块继续工作;
(4)后期维护方便,可实现故障模块单独维修、更换;维护期间ANAPF有源滤波装置可持续工作。
图1 模块化组合式安装示意图
本项目中的安装方案为负载侧集中补偿,安装方便,只需要将柜体放至*位置并接入主电路接线以及电流互感器接线即可调试使用,接线原理图如图3所示。
图3 主回路接线及互感器接线原理图
其中主电路接线一端接于主母排并线点,另一端接于ANAPF的柜后进线汇流铜排A/B/C/N上;电流互感器套在ANAPF并网点和需要补偿的负载之间进行采样,然后将信号接至柜内互感器接线端子上。
5.结语
从本文中我们可以了解到谐波对医疗行业的危害是很大的,大量的谐波会影响精密仪器的性能和使用,严重时可能危及人身安全;还会增加线路功率损耗和导体发热量,降低设备使用效率和寿命,故治理谐波的重要性不言而喻。通过安装有源滤波装置,能够很好地达到治理谐波的目的,从而**人身和设备安全。从短期来看,治理谐波需要一定的前期资金投入;但从长久发展来看,ANAPF有源滤波装置后期维护方便,可实时投切使用,它治理谐波所带来的经济效益和净化电网的社会效益也是很明显的。
【参考资料】
【1】安科瑞电能质量监测与治理选型手册。2015.08版
【2】安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版