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柴油发电机电压谐波畸变原因、标准及计算 |
摘要：众所周知，电压波形在理想状态下是正弦波，但由于柴油发电机组的供电系统中存在大量非线性阻抗特性的用电负载，使得实际的电压波形偏离正弦波，这种现象称为电压正弦波形畸变，通常用谐波来表征。电压波形畸变的程度用电压正弦波畸变率来衡量，也称电压谐波畸变率。由于谐波通常是具有非线性阻抗特性或非正弦电流特性的用电设备产生的，所以用户在采购柴油发电机组时应注意设备生产厂家提供的畸变率最高值或解决电压畸变率的措施。
一、发电机谐波的产生原因
电力谐波就是电能中包含的谐波成分，分为谐波电压和谐波电流。
1、谐波
谐波是与基波对应的一个概念。如果有一个频率为f正弦波，那么频率为nf的正弦波就称为f正弦波的n次谐波，而频率为f的正弦波就是基波（含义为基本波形）。例如：我们的电力电压波形为50HZ的正弦波，那么3次谐波就是150HZ的正弦波，5次谐波就是250HZ的正弦波，原理如图1所示。
用数学的方法可以证明，任何一个周期性波形都可以分解为基波和谐波。因此，当发电机电压发生畸变时，就表示其中包含了谐波成分。图2是包含了3次谐波和5次谐波波形表征图，3次和5次谐波是工业上最典型的两种谐波。如果谐波成分是电流，就叫谐波电流。如果谐波成分是电压，就叫谐波电压。
2、谐波电流
谐波电流是导致发电机过热、电缆过热、跳闸、无功补偿装置烧毁的主要原因。
3、谐波电压
谐波电压是电子设备误动作的主要原因，因此，类似于数据中心这种电子设备为主的用户，担心电子设备受干扰而特别关注发电机谐波电压畸变率的问题。一般要求电压畸变率小于5%。
4、谐波电流和谐波电压的区分
谐波电流是谐波的根源，谐波电压是谐波电流的产物。因此，要彻底解决谐波导致的各种问题，就要从控制谐波电流入手。谐波电压是谐波电流流过线路阻抗时产生的，对于特定的配电系统，谐波电流与谐波电压之间的关系如下（欧姆定律）：
谐波电压=谐波电流×电网阻抗.....................（公式1）
式中，电网阻抗包括了发电机的阻抗和配电系统的阻抗，如图1所示。
较大的谐波电流并不一定导致较大的谐波电压。只有当系统阻抗较大时，谐波电流才会产生较大的谐波的谐波电压。例如容量较小（对应阻抗较大）的情况，这时，虽然电流畸变率并不大（所含的谐波电流成分较小），但是电压可能会出现严重的畸变。而发电机容量较大（对应阻抗较低）的情况，这时，虽然电流畸变率很大（所含的谐波电流成分较小），但是电压可能会出现严重的畸变。
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图1 发电机谐波产生原理 |
图2 发电机多种谐波特征表示图 |
二、电压正弦波形畸变率的概述
1、电压正弦波形畸变率的指数
在空载标定电压和标定频率下，柴油发电机组线电压波形失真（正弦畸变率）<5%。
2、电压正弦波形畸变率的定义
柴油发电机组技术要求发电机的理想波形是正弦波，但其实际波形不是真正的正弦波，它既含有基波，又含有三次及三次以上的高次谐波，三次谐波励磁的发电机尤为严重。因此发电机的电压波形会产生正弦形畸变。
根据上述所知，谐波源使得实际的电压波形偏离正弦波的现象称为电压正弦波形畸变。通常以谐波来表征。电压波形畸变的程度用电压正弦波畸变率来衡量，也称电压谐波畸变率。电压正弦波畸变率以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数来表示。
3、电压正弦波形畸变率的计算公式
电压正弦波畸变率以各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数来表示。其数学表达方式为：
THDU=｛√（U₂U₂+U₃U₃+...+UnUn）×100%｝/ U₁.....................（公式2）
式中，Un指的是第n次谐波电压有效值，V；U₁指的是基波电压有效值，V。
三、电压畸变的主要危害
柴油发电机组供电后，会在供电网络注入谐波电流，谐波电流在电网阻抗上产生谐波电压，谐波电压叠加在正弦波形的50Hz供电系统上，并施加在所有接于供电系统的负载设备端，对这些设备的正常工作产生影响。主要会引起负载设备损耗增加，产生局部过热，导致电热器和电热机的过早损坏；电机的机械振动增大，噪音增强，造成工作环境噪声污染；对电子元件产生干扰，引起工作失常；对自动装置或测量仪器产生干扰，图像和通讯质量下降。
1、导致发电机发热
谐波导致发电机发热源于两方面原因，其一是谐波电流能增加发电机的铜损和漏磁损耗；其二是谐波电压能增加铁损。发电机的发热程度直接影响了发电机使用容量的降低程度。
2、导致连接的电力电缆发热
在三相对称回路中，三次谐波在三相导线中相位相同，在中性线上叠加后产生了3倍于相线的谐波电流和谐波电压，导致中性线温度升高。智能建筑中大量的OA设备及电子式荧光灯均使三次谐波在系统中的占有率增大，因此谐波引起中性线发热问题值得关注。当高频电流通过导线时，电流具有集肤效应，显然高次谐波电流的存在使线路集肤效应加重，线路外表面电流密度加大，从而导致线路（相线及中性线）发热。
3、导致对电子设备的干扰
智能建筑中自动化及电子信息设备均要求有较高的电源质量，且都工作于低电压水平，极易受到谐波的干扰而使控制失常。控制失常可能引发三A系统的严重故障。
4、导致低压配电系统工作异常
谐波畸变可使低压配电柜中的电器设备（断路器、漏电保护器、接触器、热继电器等）发生故障。谐波电流使低压电器设备铁损、铜损增加，集肤效应加剧，从而产生异常发热，误动作等故障。
四、电压畸变的防范措施
发电机的电压波形畸变率对感性负载影响最大，如损耗、电磁噪音、启动电流、温升等指标变大，电动机或变压器等转换效率变低。因此，防范和改善措施是非常必要的。
1、运用阻尼绕组降低电机波形畸变率
负序磁场是引起电压波形畸变率的主要因素，所以应采取措施来削弱负序磁场，凸极电机的励磁绕组对负序磁场有阻尼作用，但不够，且会影响励磁电流，所以考虑增加交轴阻尼绕组，效果应该不错。为了提高阻尼效果，阻尼绕组的电阻R应远小于电抗X,使阻尼绕组电流落后其电动势90°,使阻尼磁动势与负序磁动势接近反相。每极的阻尼条数n及槽距t对附加损耗和发电机电压波形都有影响，一般应按下列原则选择：0.8ts≤t≤0.9ts、1.1ts≤t≤1.2ts、n=4～10、S=KSc/n。其中，ts为定子槽距，S为阻尼条截面积，Sc为一个极距内定子绕组导体的总截面积，K取值≥0.3。
阻尼绕组的模型（如图3所示。阻尼绕组主要包含阻尼槽、阻尼端板、阻尼条。阻尼条就是穿过阻尼槽的金属导体，一般为圆柱形（如图4所示）。端板截面积一般为一极的阻尼条总截面积的一半。阻尼端板与阻尼条采用焊接连接。
表1 不同阻尼材料对应的波形畸变率
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阻尼绕组形式
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电压正弦波形畸变率（%
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基波
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三次谐波
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五次谐波
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七次谐波
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九次谐波
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无阻尼绕组
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14.5
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12.3
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3.9
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1.2
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0.9
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铝阻尼绕组
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12.1
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10.2
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3.7
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0.7
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0.7
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黄铜阻尼绕组
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10.8
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8.1
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3.5
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0.5
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0.6
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铜阻尼绕组
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9.7
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7.8
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3.2
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0.4
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0.4
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2、提高发电设备功率或容量
在根据负载确定柴油发电机组额定容量时，应考虑谐波畸变而预留容量空间。通常在民用建筑设计中一般应保证柴油发电机组负荷率为70%～80%左右，该负荷率的工程富余量即可防范谐波引起的发电机发热危害。
3、增大连接电缆线的横截面
在电缆截面选择中应考虑谐波引起线缆发热的危害。对于联接谐波主要扰动源设备的配线，确定线缆载流量时应日有足够余量，可适当放大一级选择线缆截面。在三相四线制供电系统中，应考虑三次谐波电流和高次谐波电流引起的趋肤效应对中性线的发热危害，即在中性线截面的选择中选用足够的余量。
4、采用措施或专用设备来降低干扰
在设计和施工阶段，建议用户采取以下措施抑制谐波对电子设备的干扰。
（1）为该类设备设计专用回路供电，尽可能避免干扰沿供电线路窜入。
（2）为易受干扰设备加装线路滤波器，消除或抑制谐波分量，达到净化电源目的。
① 电力电容器串联滤波电抗器。
电容器串联电抗器后，会组成无源滤波回路；通过调整电抗器的电抗器，它可以滤除不同次数的谐波。
② APF有源滤波器。
它可以检测电网中的谐波电流，经过分析后有源滤波器会发出与谐波电流大小相等、方向相反的谐波电流，使两者相互抵消，从而达到谐波治理的目的。
（3）使该类设备配线尽可能远离谐波电流畸变严重的线路，以避免空间电磁干扰。
（4）接地抗干扰
接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段，良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，注意不要因为接地不良而对设备产生干扰。
（5）做好信息线的干扰
信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸质疑，信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。
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图3 发电机阻尼绕组的模型图 |
图4 发电机阻尼条结构示意图 |
总结：
本文论述了发电机电压波形畸变率产生的主要原因，以及如何利用阻尼绕组消除负序磁场，从而提高柴油发电机组的电压输出的质量。介绍了控制发电机电压畸变的方法以及在实际运用中的作用，降低了附加损耗、提高了效率，使柴油发电机组整机性能提高到更优良更能满足用电需求。
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