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新闻主题	柴油发电机组的电话谐波因数THF和干扰影响系数TIF

 

摘要：随着科学技术的发展，PLC智能控制在柴油发电机组的应用越来越广泛。柴油发电机组控制系统的可靠性直接影响到工业企业的安全生产和经济运行，而控制系统的抗干扰能力是关系到整个供电可靠运行的关键。目前控制系统是直接安装在设备上，因此，大多数工作条件处于强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高柴油发电机组可靠性，电力系统设计人员只有预先了解各种干扰才能有效保证系统可靠运行。  

 

一、何为谐波

 

1、谐波的研究和发展

      “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

      到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，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，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际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。

      谐波研究的意义是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

2、谐波的危害

      理想的发电机所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对发电机是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还需要严惩没有引起足够的重视。谐波对发电机和其他系统的危害大致有以下几个方面。

（1）谐波使发电机中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

（3）谐波会引起发电机中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

3、谐波抑制

      为解决发电机电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使期不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

      装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

 

图1  发电机感应电势波形

图2  发电机三次谐波励磁示意图

 

二、干扰因素的名词定义

 

      谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，而基波是指其频率与工频(50Hz)相同的分量。 

1、电话谐波因数（THF）的定义

       根据全国科学技术名词审定委员会规定，电话谐波因数（THF）就是指电压波形中基波及各次谐波有效值加权平方和的平方根值与整个波形有效值的百分比，因高次谐波产生的影响称为电话谐波系数，即THF。 

2、电话影响系数（TIF）的定义

       由于交流发电机的电压数据并不可能达到恒定无变化状态，通常在国际或国家所规定的电压范围上下幅度波动，这些波动会对通信系统的通话质量和联络质量带来一定的影响和干扰，其对电话的影响称为电话影响系数TIF。

 

三、电话谐波因数（THF）测量

 

　　国家标准《GB 755-2008 旋转电机定额和性能》对电话谐波因数测量有明确的计算公式，如下：

       该公式关键在于加权系数λn的数值获取。标准中提供了部分频率的加权系数，对于基波频率不是50Hz的信号，大部分频率的谐波标准中没有提供，需要自己采用插值运算获取。大多电机检测测量设备未提供THF指标。AnyWay变频功率分析仪能够在检测的同时运算并显示电机试验国家标准中定义的THF、HVF、K、THD、HC等指标。

      国家标准GB755规定，发电机的空载线电压正弦畸变率必须小于5%。有些专业标准还规定了线电压的电话谐波因数：对于容量在300～1000kVA的同步发电机，THF应小于5%；对于容量在1000～5000kVA的同步发电机，THF应小于3%；对于容量在5000kVA以上的同步发电机，THF应小于1.5%。某些特殊应用场合的同步发电机(如军用发电机)，除了对上述两项指标做出规定外，还对输出电压波形的偏离系数、单次谐波含量等指标做出更加严格的规定。

 

四、柴发对TIF和THF规定

 

     1、电话影响系数TIF：﹤50，对电话的影响

     2、电话谐波系数THF：﹤2%，因高次谐波产生的对电话的影响。

    注意：数据中心对于容量小于62.5kVA的机组，其线电压的电话谐波因数（THF）应不大于8%。 容量不小于62.5kVA的机组，其线电压的电话谐波因数（THF）应不大于5%。

表1    柴油发电机组的电话谐波因数TH有效值

 

五、其他干扰因素

 

       共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地面的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压送加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的电器供电室，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，直接影响测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。 

      影响PLC控制系统的干扰源于一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源，即干扰源。干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，分为持续噪声、偶发噪声等；按声音干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。 

     差模干扰是指用于信号两极间得干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

 

总结：

      近30年来，发电机电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种发电机电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。 但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。

 

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