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如何减轻谐波对配电系统的影响?

来源:控制工程网2017.02.25阅读 2655

  谐波是电气设备非线性表现的结果,我们需要掌握如何进行与电力相关的测量手段来防止大型商用和工业设施的合同违约和罚款。使用功率三角形有助于了解有功功率、视在功率、无功功率以及功率因数之间的关系。
  功率三角形
  图1中所示的“功率三角形”展示了在交流正弦波配电系统中出现的有功功率(kW)大小、视在功率(kVA)大小、无功功率(kVAR)大小以及功率因数(PF)之间的关系:
  ●kW:有功功率是电能转化为工作所用能量的比率,用kW来测量。在功率三角形中这个矢量的大小被定义为水平0度的轴向上,其大小为kVA乘以PFCONTROL ENGINEERING China版权所有,其中PF是没有谐波情况下电流和电压之间的位移角的余弦。
  ●kVA:视在功率是加载到多个负载上的电压与流经负载的电流的乘积的大小控制工程网版权所有,其单位是瓦特,在图1中是与水平成PF角度的kVA矢量。
  ●kVAR:无功功率的大小是可以正负交替的,它是由加载到纯电抗(电感、电容或者两者组合)上的电压乘以流经这些无功原件的电流得来的。代表它的单位是无功瓦特。
  ●PF:系统的功率因数是将纯KVAR除以kW的结果作为其正切值的角度的余弦值。功率因数的角度代表了由系统电感及电容这些无功元件引起的电压和电流之间的“位移”角度。


图1:功率三角形展示了在交流正弦波配电系统中出现的有功功率(kW)、视在功率(kVA)、无功功率(kVAR)大小以及功率因数(PF)之间的关系。图片来源:Dataforth


  公用设施的账单
  公用设施公司销售的电能是以千瓦时(kWh)为单位的。居民用户是按照kWh来支付看起来统一的费率;大型商业及工业设施通常要签订一个合同,往往会因为合同违约而受到罚款。每次使用的能源的费率是以千瓦(kW)为单位的控制工程网版权所有,公用设施将其定义为kW的需求量。一些公用设施要求大客户在合同范围内保持一定的功率因数(kW÷ kVA)。
  在一个已经被接受的用户工厂的拓扑结构里,用户的负荷通常按照电阻、电抗以及有时候还包括电容的平行组合来建模。图2展示了在加入了一个电容之后没有谐波情况下,单一频率交流负载的行为方面的功率三角形的结论。
  谐波对配电系统中的影响
  “除了不断上升的维护成本以外,谐波还会造成一些用户因为没有符合公用设施谐波限制的要求而受到经济处罚。”
  在一个工厂里能够产生谐波的状况有很多种:
  ●内置有微处理器和电子电路的现代电气设备通常代表非线性负荷,其结果是含有大量谐波的非正弦波线电流;
  ●现代LED照明;
  ●在变压器和旋转气隙中的非线性磁场;
  ●随着频率变化而增加的变压器铁芯、涡电流以及绕组的集肤效应损失;
  ●变压器的运行性能会因为直流电流成分的影响而发生畸变www.cechina.cn,这也会进一步产生非线性电流;
  ●其他贯穿整个工厂的高频损失。
  谐波会产生以脉冲形式存在的非正弦波线电流,这是非线性负荷的副产品。谐波的存在意味着电流和电压发生了畸变CONTROL ENGINEERING China版权所有,给电力系统增加负担,从而造成设备损坏、供电故障、以及工厂停工。
  谐波被反射到公用设施的电网上,并且随着用户增加更多的现代电器而不断累积。除了不断上升的维护成本以外,谐波还会造成因为没有符合公用设施谐波限制的要求而受到经济处罚。


图2:该表格显示了在加入了一个电容之后,在没有谐波情况下单一频率交流负载在行为方面的重要功率三角形的结论。


  要想避免这些状况,很重要的是要回答一些关键的问题,包括:
  ●我的系统里有没有这些谐波?
  ●有没有关于谐波的处罚?
  ●需要支付多少?
  ●公用设施公司如何测量账单项目以及额外的损失?
  ●公用设施公司是否会提供现场分析并就账单进行协商?
  通过思考这些问题,可以提前采取一些适当的措施来减少谐波效应。(作者:John Lehman)

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