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现代剧场电气设计中电能质量的分析
[ 通信界 / 冯星明 中南建筑设计院 / www.cntxj.net / 2010/11/4 20:11:39 ]
 

  摘  要: 本文通过对剧场电气谐波的产生、特性及其危害的分析,探讨剧场电气设计中电能质量的问题。 
  关键词:谐波 谐波保护器 剧场 舞台 可控硅调光装置 

 

引言
  由于非线性特性电气设备的使用,产生了周期性非正弦电量。对这些周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解,除了得到与电网基波频率相同的分量,还得到一系列大于电网基波频率的分量,这部分电量即称为谐波。民用建筑电气设备中存在着众多的非线性特性负载谐波源,如:荧光灯、气体放电灯、计算机、UPS装置、电子调速装备、软起动设备等。在现代化的剧场、礼堂中,存在着很多谐波源,例如音响、中央空调、舞台灯光等等。尤其是舞台灯光的可控硅调光装置引起的电流波形畸变,使谐波问题尤为严重。他们都能产生大量的谐波,而这些谐波的叠加将产生大量的谐波电流,从而造成了设备的烧毁和开关的跳闸。
  本文针对现代剧场的特殊电能谐波环境,提出了针对性的全面谐波治理的理念,并且选择一个案例进行分析。
 
1 剧场电气谐波的产生及其特性分析
  可控硅调光器是目前舞台上的主流调光器。 舞台灯光用的各种调光器实质上就是一个单相的相位控制交流调压器。
  在正弦交流电压过零后的某一时刻t1(或某一相位角wt1),在可控硅的门极上加一触发脉冲,使可控硅导通,这一导通将维持到正弦波正半周结束。因此在正弦波的正半周(即0~p区间)中,0~wt1范围可控硅不导通,这一范围称为控制角,常用a表示;而在wt1~p间可控硅导通,这一范围称为导通角,常用?表示。同理在正弦交流电压的负半周,对处于反向联接的另一个可控硅(对两个单向可控硅反并联而言)在t2时刻(即相位角wt2)施加触发脉冲,使其导通。如此周而复始,对正弦波的每一半周期控制其导通,获得相同的导通角。如改变触发脉冲的施加时间(或相位),即改变了导通角?(或控制角a)的大小。导通角越大调光器输出的电压越高,灯就越亮。从上述可控硅调光原理可知,调光器输出的电压波形已经不再是正弦波。
 
  对该周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解可知,可控硅调光过程中输出的负荷电压除含有与电源同频率的基波成分外,还含一系列频率为电源频率奇次倍的高次谐波,这些高次谐波向空中大量幅射,也会通过导线传导到其它负载,引起电源电压波形畸变。
  根据对某剧场/会堂硅柜室和调光室进行的高次谐波污染检测,数据表明:
1、 高次谐波污染对精密电脑控制系统的安全正常运行所带来的隐患
2、 高次谐波污染造成电压不稳而产生的调光不均及灯光闪烁现象
3、 音频频带受到噪声干扰,电能浪费、设备发生故障。
4、 无功补偿无法正常投入,并且经常发生电容爆炸事故。
以下是ELECON公司对某电视台/剧场/会堂硅柜室和调光室进行的高次谐波污染检测数据:
1) 采用TDS1001B数字存储分析仪(美国),针对性测量2k-100khz附近的谐波
 
  从图1硅柜室电网电压时域波形上可见明显的畸变,存在高频的干扰。从FFT上可见,在15KHZ附近一段频域上有高达20DB的高次谐波电压,谐波含有率>5%。
2)采用FLUKE434 三相电能质量分析仪(美国),针对3-49次谐波的:
  这是在调光开到62%时的谐波电流数据,这是最严重的情况,三次谐波的THD高达67%。 下图可以看出电流波形畸变严重。
 
  这是电压波形,有明显的锯齿。   A相的电压电流波形
3)        针对以上情况的全面谐波治理:
  对于剧场的谐波,又有其特点:
* 只有开调光设备时才有谐波,谐波产生的时间占整个工作时间很少。
* 短暂的谐波对控制设备影响很大,但是对配电设备影响小。
 
  谐波治理不仅仅针对一般的3、5、7、9次谐波,同时应该针对2K以上的高次谐波。
 
  按照谐波产生及危害的领域:
* 可分为电力侧谐波与用户侧谐波。
* 电力侧谐波领域主要研究由于电力传输、配电、变压器等谐波的发生、传输、测量、危害及抑制,其谐波次数范围一般为2≤n≤40。
* 用户侧谐波领域主要研究由于工业、商业用户的变频器、计算机、开关电源等产生的谐波的发生、传输、测量、危害及抑制,其谐波次数范围一般为40≤n。
电力侧谐波与用户侧谐波的区别如下:
 
电力侧谐波
用户侧谐波
谐波次数
2≤n≤40
即0.1KHz—2KHz
40≤n
即2KHz—10MHz
能量大小
危害范围
电力变压器,配电设施等
工业、商业用户的计算机、PLC、控制设备等
危害特点
对设备有明显物理损伤,不干扰控制设备
对设备的物理损伤小,干扰控制设备
治理方法
谐波保护器-有源方式
谐波保护器-无源方式
对应产品
HPD2000
HPD1000
  2.谐波的危害
  电源电压波形畸变造成电网谐波污染,使电力系统的发供用电设备出现许多异常现象和故障。谐波的危害是多方面的,就剧场电气系统而言,主要来有以下几个方面:
  2.1. 对供配电线路的危害
  三相配电线路中,相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加,使中性线的电流值可能超过相线上的电流。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率,从而降低电网电压,浪费电网的容量。 继电器在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用,产生误动或拒动,将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。
  随着谐波次数高频率的上升,电缆导体趋肤效应越发明显,从而导致导体的交流电阻增大,使得电缆的允许通过电流减小。另外,电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联,提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联,在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。 
2.2. 对电力设备的危害
  当电网存在谐波时,投入电力电容器后其端电压增大,通过电容器的电流增加得更大,使电容器损耗功率增加,加速绝缘介质老化。在谐波严重的情况下,还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时,还可能使电网的谐波加剧,即产生谐波扩大现象。
  谐波使电力变压器的铜耗增大,其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大,这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加。同时由于以上两方面的损耗增加,因此要减少变压器的实际使用容量,或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。
  对于配电用断路器来说,受谐波电流的影响,导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热,使得额定电流降低与脱扣电流降低,可能因谐波产生误动作。 
  2.3.对弱电系统设备的干扰
  对于计算机网络、通信、有线电视、火灾自动报警与楼宇自动化等弱电设备,电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中,产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比,传导则通过公共接地耦合,有大量不平衡电流流入接地极,从而干扰弱电系统。
3.剧场电气谐波抑制措施及解决方案:
  为抑制电网谐波污染应采取一定的措施:
  通过分析和测试找到了谐波源,于是现场的工程师使用ELECON公司的全系列的HPD谐波保护器(HPD2000+HPD1000),安装上后谐波有了明显的改善,如下图所示:
 
  HPD(Harmonic Protective Device)谐波保护器正是针对用户侧高次谐波(2kHz-10MHz)的污染,为用电设备提供谐波保护,改善越来越恶劣的电能质量的设备。HPD谐波保护器采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路,对用电设备产生的随机高次谐波和高频噪声、尖峰脉冲、电涌等干扰具有抑制和吸收作用;随时跟踪电压波形,瞬时滤除电源中的尖峰、浪涌(雷电)、杂波,矫正因谐波影响而产生畸变的电压波形;对噪声进行消化,矫正电网波形,使电网电源波形变得光滑清洁,既提高了电网质量,又保证了仪器设备的正常运行。
3.1 HPD谐波保护器的作用
  HPD谐波保护器在消除了谐波的同时,减少了导体的集肤效应,避免了导体的温度升高,使变压器的铜损、铁损大为降低,减少了不必要的能耗。同时,HPD谐波保护器还消除了对用电设备极具破坏性的浪涌电压、尖峰信号等杂波,从而使各相电路中的电流、电压趋于平衡,相位差保持一致,充分发挥了各类设备的设计功能,以达到不浪费电能的目的。
  HPD谐波保护器采用高科技产品超微晶合金材料,既可以降低由于仪器设备产生的高频率谐波和高频噪声,防止用电设备产生的污染进入到电网中,同时又能防止电网中高频率谐波、和高频噪声、浪涌(雷电)、尖峰瞬变等污染进入到仪器设备,干扰仪器设备的运行。在2kHz~10MHz频段内有较好的滤波吸收效果,除对电源中的干扰噪声有滤波作用外,还对电源波形有矫正作用,把有用的电能返还到电源,达到提高电能质量的效果。
 
3.2 高次谐波的主要危害有
  (1)引起串联谐振及并联谐振,放大谐波,造成危险的过电压或过电流;
  (2)产生谐波损耗,使用电设备效率降低;
  (3)加速电气设备绝缘老化,使其容易击穿,从而缩短它们的使用寿命;
  (4)使设备(如PLC、音响、医疗设备、继电保护、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等)运转不正常或不能正确操作;
  (5)干扰通讯系统,降低信号的传输质量,破坏信号的正确传递,甚至损坏通信设备。
 
3.3 采用HPD谐波保护器解决了设备遇到的众多问题
3.3.1 自动保护用电设备。
  由于设备自身产生的接地电流在设备和真实地之间会引发一个电压降,当噪声频率比较高的时候,很容易造成计算机电子设备、PLC、电机电器等电脑死机。
HPD能自动消除具有破坏性的高次谐波,高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等,确保了用电设备的使用寿命。
3.3.2 净化电源
  HPD谐波保护器具有很强的抑制和消除能力,最高可消除99%的因各种谐波引起的电压、电流的畸变,防止谐波引发的计算机屏幕频闪,以及由于开关、短路、负载变化引起的灯光频闪。
3.3.3 提高IT设备谐波环境,防止数据网络堵塞。
  IT设备是精密型的设备,对各种频率的干扰十分敏感,由高次谐波引起的电压畸变将严重影响IT设备质量,使通信线路比特错误率大大提高,甚至可以高到使整个网络瘫痪。
3.3.4 保护功率因数补偿设备。
  高次谐波频率可能和杂散的电网电感及功率因数补偿(PFC)设备组合的谐波频率形成并联谐振回路,谐振电路引起的谐波放大使电压和电流波形畸变更为严重,从而导致设备过早出现故障。HPD消除了谐波污染,确保了功率因数补偿设备的使用寿命
3.3.5 防止保护装置的误跳闸。
  谐波电流会导致断路器误跳闸或是在该跳闸的时候根本不跳。
 
4.结束语
  现代剧场中的谐波污染对设备造成了大量危害。强大的脉冲干扰会导致电子器件、设备的损坏,对计算机及应用计算技术的仪表导致程序错误,存储丢失甚至系统的损坏。在实际工作中,因为它具有多发性、随机性和不可重复性,使设备性能下降、无法工作的现象时有发生。为保证现代剧场中各种不同类型设备和计算机及精密电子装置正常、可靠、高效地运行,必须要采取相应措施,消除对用电设备具有破坏性的高次谐波,高频噪声、浪涌、尖峰瞬变等,防止计算机电子设备、PLC、EIB、电机电器等电脑死机,确保用电设备的使用寿命。

 

作者:冯星明 中南建筑设计院 合作媒体:专网通信世界-中国电力通信网 编辑:顾北

 

 

 
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