GBZ 18039.2-2000 电磁兼容 环境 工业设备电源低频传导骚扰发射水平的评估.pdf

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1、前言本指导性技术文件等同采用 技术报告 电磁兼容第部分环境第分部分工业设备电源低频传导骚扰发射水平的评估 本指导性技术文件推荐了工业厂矿中的电气和电子设备电源低频传导骚扰发射的水平的评估方法本指导性技术文件是电磁兼容环境系列国家标准化指导性技术文件之一该系列国家标准化指导性技术文件目前包括以下内容电磁兼容环境电磁环境的分类电磁兼容环境工业设备电源低频传导骚扰发射水平的评估本指导性技术文件仅供参考 有关对本指导性技术文件的建议和意见 向国务院标准化行政主管部门反映本指导性技术文件附录 附录 附录 附录 和附录 为提示的附录本指导性技术文件由国家电力公司提出本指导性技术文件由全国电磁兼容标准化联合

2、工作组归口本指导性技术文件负责起草单位国家电力公司武汉高压研究所本指导性技术文件主要起草人邬雄郎维川聂定珍万保权蒋虹费光裕前言国际电工委员会 是由所有参加国的国家电工委员会 国家委员会 组成的世界性标准化组织 其宗旨是促进电气和电子技术领域有关标准化的全部问题的国际一致 为此除开展其他活动之外 还出版国际标准 标准委托由技术委员会制定 任何对制定项目感兴趣的 国家委员会均可参加 与 有联络的国际组织政府和非政府机构也可参加这一工作 与国际标准化组织 按照两组织间的协商确定的条件密切合作由于各技术委员会都有来自对相关制定项目感兴趣的所有国家的代表 所以 对有关技术内容作出的正式决定或协议都尽可能

3、地表达国际一致的意见所产生的文件可采用标准技术报告或导则的形式出版以推荐的方式供国际上使用并在此意义上为各国家委员会所接受为了促进国际上的一致 国家委员应尽可能最大限度地把 国际标准转化为其国家标准和地区标准 对相应国家标准或地区标准与 国际标准之间的任何分歧均应在标准中清楚地说明技术委员会的主要任务是制定国际标准 在特殊的情况下技术委员会可以出版下列类型之一的技术报告类型 当尽管经过再三努力而不能作为国际标准出版时类型 当这个主题仍处于技术发展阶段或者由于任何其他原因在今后而现在不能马上同意作为国际标准时类型 当技术委员会在例行出版国际标准的过程中搜集到各种资料例如 科学发展动态时第 类和第

4、 类技术报告自出版时起到决定它们是否能够成为国际标准的三年内会受到复审 第类的技术报告直到认为他们提供的资料不再有效或有用之前没有必要进行复审是第 类技术报告是由 第 技术委员会 电磁兼容 的 分技术委员会低频现象 制定的本技术报告的文本基于下表中的文件表决报告在上表的表决报告中可找到表决通过本报告的全部信息附录 附录 附录 附录 和附录 仅作参考引言本标准是 系列标准的一部分该系列标准的构成如下第一部分综述综合考虑概述基本原理定义术语第二部分环境环境的描述环境的分类兼容性水平第三部分限值发射限值抗扰度限值由于它们不属于产品委员会的责任范围第四部分试验和测量技术测量技术试验技术第五部分安装和减

5、缓导则安装导则减缓方法和装置第六部分通用标准第九部分其他每一部分又可分为若干分部分它们作为国际标准或技术报告出版这些标准和报告将按时间顺序出版 并相应地编号本分部分是一个技术报告中华人民共和国国家标准化指导性技术文件电磁兼容环境工业设备电源低频传导骚扰发射水平的评估国家质量技术监督局 批准 实施范围本指导性技术条件推荐了评估工业环境中安装在非公用电网中的装置设备和系统发射所产生的骚扰水平的程序并只限于供电电源中的低频传导骚扰在此基础上可以获得相关的发射限值它适用于交流 中低压非公用电网 航运航空近海平台以及铁道等电网不属本指导性技术文件的范围本指导性技术文件阐述与供电电源连接的设备所发射的低频

6、传导骚扰 这些骚扰包括谐波及谐间波不平衡电压变化电压暂降引用标准下列标准及标准化指导性技术文件所包含的条文通过在本指导性技术文件中引用而构成为本指导性技术文件的条文 本指导性技术文件出版时 所示版本均为有效 所有标准及标准化指导性技术文件都会被修订使用本指导性技术文件的各方应探讨使用下列标准及标准化指导性技术文件最新版本的可能性电磁兼容术语电磁兼容 限值 对额定电流不大于 的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制电磁兼容 限值 对额定电流大于 的设备在低压供电系统中产生的电压波动和闪烁的限制半导体变流器概述为实现电磁兼容应限制各耦合点的骚扰水平总值这意味着要控制连接到供电电源中的骚扰负

7、荷的发射就低压公用电网而言通过严格限制安装在电网中的额定电流最高达 设备的发射来控制骚扰水平 这些限值是通过对下述因素的统计研究而确定的电网中设备的分散性使用设备的类型同时效应电网特性只要设备满足相关标准规定的发射限值任一额定电流达 的设备都可与电网连接这种方法说明 对公用电网而言不同用户与供电公司之间的严格协调是不可能的就工厂和非公用电网而言不同位置的兼容水平必须一致在公用电网的公共耦合点 设备对公用电网的发射总值须根据供电公司的要求和供电电源的电网条件作适当的限制在内部耦合点 由工业设备发射所产生的骚扰水平总值以及侵入供电电源的骚扰水平将被限制到所关注的 点上选择的兼容水平为使单台设备的发

8、射限值达到上述规定的要求要考虑以下因素设备与之连接的电网的实际阻抗厂内实际存在的各种设备的组合与生产过程构成有关的设备实际使用通过采取滤波或补偿装置 给不同供电电源分配负荷分割骚扰负荷等预防措施 可实现对骚扰的控制和缓减这种方法说明 对工厂而言 设计阶段与运行阶段的骚扰负荷可以协调为取得最大的经济效益下述因素对限制单台设备的发射是重要的单台设备的实际发射很大程度上与供电网的特性有关即使低功率设备的发射水平与公用电网的标准不兼容但在工厂存在强骚扰设备的情况下其影响完全可以忽略不计由各种源引起的骚扰的合成方法主要取决于设备的设计和所涉及的工业过程在某种程度上用户能在 点选择适宜的电磁兼容水平 事实

9、上这种选择是在限制发射水平所花成本与通过减缓措施降低骚扰水平或者提高抗扰度所花成本之间的一种折衷选择发射限值与兼容水平的协调设备允许的发射限值可由三步程序来确定供电公司与用户之间和用户与制造商之间的信息要求供电公司至少向用户提供以下资料适用于工厂的总发射限值目前和将来在 点预期的骚扰水平不包括所考虑工厂产生的骚扰耦合点源阻抗值的范围与骚扰评估同样重要这个范围与电网结构和频率特性有关要求用户向供电部门提供的有关资料待安装设备的特性及其运行方式功率因数补偿设备的特性用于谐波电流补偿的滤波器的特性要求用户至少向制造商提供以下资料安装方案和连接设备的特性其他设备的发射水平以及供电电源传导的骚扰生产过程

10、的特性要求制造商至少向用户提供以下资料所考虑设备或系统在特定运行条件下预期的发射水平发射水平对源阻抗运行电压等变化的灵敏度当厂内存在不同骚扰源时选择合适的迭加计算规则对工厂在 点的预期发射水平总值及在 点的预期骚扰水平总值的评估如果设备的发射总值或预期骚扰水平超过了相关的兼容水平 同时还考虑到电网将来的发展以及工厂骚扰源增加的可能性 应考虑以下的预防措施调整电网结构改变骚扰设备的特性采用滤波器或补偿装置容忍所产生的骚扰和提高设备的抗扰水平本措施不适用于 点仅适用于 点重复上述过程 直到满足所有要求为止定义所有术语与 和 中的术语一致工业设备传导发射的概述表 列出有关低频传导发射源的概述及其对电

11、源的影响表 低频传导骚扰源分类示例产生的骚扰非线性特性电子装置操作负荷操作负荷磁饱和装置 气体放电灯电弧炉 交流电弧焊机变压器合闸变流器 交流控制器多周波控制装置电容器 滤波器 感应电机合闸谐波谐波 谐间波 电压变化 不平衡谐波 电压暂降谐波 谐间波 电压变化 不平衡谐间波 电压暂降谐波骚扰现象及骚扰源的描述线路电流中的谐波分量主要是由下述几种方式产生的附录 中介绍了其他的负荷特性半导体变流器中电子开关切换频率为线路频率或其倍频时的线路电流这种功能既可以是可控的如晶闸管 也可以是不可控的 如二极管 在大多数情况下这种功能是通过定期地在每相之间投切串联阻抗和电压源来实现的 变流器中产生的谐波大致

12、具有三个特征定期投切负荷例如交流控制器在某一相角投负荷而当电流降至零时切负荷 图 为其布置简图 谐波电流的幅值和相角取决于线路电压与负荷接通时的角度线路电压与负荷电压之间的电压差以及由负荷阻抗与线路阻抗组成的串联连接典型应用为传导加热焊接熔炼静电除尘器或发射机电子管的高压直流电源镀锌或金属酸洗的大电流直流电源静止无功补偿器交流电动机的起动器外加电流定期地在相间切换大直流电感图 为其布置简图这一类的典型装置有馈送直流负荷的变流器 如直流驱动器 直流牵引电化和电热处理的直流电源 电机或磁场线圈的直流励磁直流焊接交流器带直流联络线的交流器如带有电流型逆变器 或次串级同步变流器的交流驱动器 给金属淬火

13、或感应电炉供电的中频变流器的直流源可逆变流器周波变流器如交流驱动器电热熔炼的低频电源 如附录 的图 所示直流电压经阻抗定期地与线路接通和断开 与三相线路相连的变流器从直流电感小的一相到另一相 在某一相角与直流侧接通 图 为其等值电路 产生的谐波电流与交流控制器的谐波电流相当 这里电流下降到零既可能是在后续相接通时也可能是在小电流或小直流电感的情况下由于电流与电压下降方向相同而提前出现的这一类的典型装置有与直流电压相连的变流器例如与电压型逆变器 相连的驱动器不停电电源 适用于金属加热或焊接的谐振变流器的直流电源自整流变流器用于不需要无功功率或对其补偿的驱动器和补偿器的变流器电流与电阻相关的非线性

14、阻抗见图这种类型的典型装置有电弧炉熔炼金属的交流电弧交流电焊机经高电抗变压器供电的焊接电弧公众场合照明用的荧光灯气体放电灯饱和电感合闸例如感应电动机和变压器合闸磁饱和可产生暂态电流分量 对有电感和电容的谐振回路合闸将对电网产生暂态谐振 例如 滤波器或电容器合闸时会在滤波器电容与滤波器及线路电感之间产生暂态谐振图 表示其等值电路典型的发射数据附录 中对产生谐波线路电流的最常见负荷给出了典型发射数据的范围仅仅是为了指导性的目的而给出的 对骚扰评估的可靠数据应由制造商根据实际设计参数和其在类似设备上的经验而得到运行与安装条件对发射的影响就几种负荷产生的发射而言例如变流器 其谐波电流的大小及相角将通过

15、估算得到变流器与变压器的连接 变流器负荷的同时和单台或随机运行均须加以考虑供电系统中的骚扰可通过线路电压中存在的谐波分量来确定 即谐波电流在线路阻抗两端产生的电压降来确定该线路阻抗可由与高压电网所有负荷 补偿和滤波元件串并联连接的所有阻抗来确定考虑到该阻抗适用于各个频率见图 因此必须验证和考虑可能的谐振 附录 中给出了更多的资料谐波的迭加当在同一工厂有几个产生谐波电流的装置时 线路中的谐波电流以及相关点 或 的谐波电压取决于不同源所发射电流的不同幅值及相角所造成的迭加效果谐波合成电压向量和的准确计算局限于很少几种特殊的情况 虽然取每个谐波源作用的代数和可以反映最坏的情况但这种方法常会得到与实际

16、不符的很高的数据尤其是高次谐波大多数情况下用近似的计算方法就足够了 有几种方法用来近似计算谐波的合成见附录 中相关文献在关注点处的谐波电压由下式可得到在关注点 或 处的第 次谐波电压 见图式中 不考虑相关源影响时供电电网的第 次谐波电压背景骚扰由注入注入源 所引起的第 次谐波电压假定骚扰源连接点和关注点之间的所有传递阻抗对所有骚扰源都是相等的 见图 那么 可由下式求得式中 从关注点看去的等值谐波阻抗谐波电压的迭加计算原则由于允许的发射水平与电网结构有关 因此在研究接入新的产生谐波的工业负荷时便出现了谐波的迭加问题谐波为现有负荷及将来负荷所产生的谐波之和由于资料的缺乏以及所有产生谐波的各负荷的可

17、变性导致必须使用统计法来计算合成的谐波矢量 在统计法中 每个谐波源都用一个随机的时变矢量来表示这些矢量的幅值和相角按分布律来模拟为了在实际应用时得到一种简单的法则而采用了差异因数定义为所有谐波源单独作用的矢量和实际的或预期的与代数和之比 这种作用是由与所关注设备的设计运行特性有关的发射所引起的借助于差异因数 可按下式估算总骚扰差异因数主要受下列因素的影响骚扰负荷的类型例如在变流器的情况下可控或不可控变流器感性或容性平波器负荷类型 阻性感性电动机同时运行的变流器数量各种骚扰源的运行方式协调运行或独立运行负荷的可变性被考虑的谐波次数计算的实际应用根据对工业电网中所有装置的谐波作用的了解和在所关注点

18、的谐波合成电压所要求的准确度这里提出两种计算差异因数 的方法 特别是方法 与专用设备组有关而方法 包含了统计考虑方法本方法给出合适的差异因数 对初步近似或对在关注点处的谐波合成电压有效 且对于兼容水平有较大的安全裕度适用于 的低次谐波差异因数 可由下式得到在一个工厂设备中能采用几个不同的根据附录 的文献 表 给出了各个负荷和不同谐波次数的差异因数表 各种 值及谐波次数时的差异因数注 为被考虑装置的负荷与工厂总骚扰负荷之比注 如果设备组为不可控整流变流器另外 如果不可控整流器具有相同负荷周期 则表中的差异因数考虑了关于较高次的谐波相角增量 见与方法 相关的数据方法此方法以统计法为基础并考虑到兼容

19、水平必须满足 及以上的概率要求了解单个谐波作用的幅值及相角变化式中 具有概率不超过 的统计矢量和差异因数 与谐波电压幅值和相角的变化以及谐波源的数量 有关 可按照附录 中文献 的方法得到表 列出了 与 的典型值它们适用于不超过 概率的数值表 适用于幅值和相角为均匀分布的 值最大幅值全部相等相角分布范围 幅值分布范围注 当没有谐波源大于被考虑的谐波电压代数和的 时 上面给出的公式才适用 否则参照方法一般而言适用范围如下次谐波相角在 以内次谐波相角在 以内次以上谐波相角在 以内对于最大幅值不同的矢量使用这些系数具有足够的准确度 如果其结果超过代数和则用代数和代替 在特殊情况下当其结果小于最大的单个

20、分量时则使用后者如果在设备中 某些变流器通过移相变压器连接 连接 而另一些通过非移相变压器连接或 连接 当变流器在类似的条件下运行时则所产生的 次和 次谐波电流往往会被抵消谐间波谐间波电流与电压的来源供电电源中大多数谐间波电流和电压是由静态变频器产生的 不带变流器的旋转电机也能产生谐间波电压但是与变流器产生的谐间波有关由于其幅值非常小 因此可以忽略 关于注入电源的谐间波例如纹波控制由于其发射为大家所熟知因此在此不予讨论产生谐间波频率的机理与变流器的类型有关表 给出了作为谐间波源的静态变频器概况表 由变流器产生的谐间波变流器安装处电源侧 负荷侧典型应用电网换相变流器和直流联络线电网换相逆变器 变

21、速驱动器 电网之间功率交换次同步串级自换相逆变器变谐振逆变器 感应加热自换相变流器和直流联络线变速驱动器能量储存直接变流器 周波变流器 牵引和电热工艺的变频 超同步串级低速变速驱动器交流电弧炉也是谐间波源此外在非稳态运行条件下的任何变流器或非线性装置均能产生谐间波电流间接变流器的谐间波线路电流间接变流器由交流供电侧电网换相变流器组成它通过直流联络线连接到电动机换相谐振换相或自换相的另一个变流器直流联络线的纹波电流中存在以下频率的电流和式中 中间联络线电流中的谐波分量的频率交流电源侧变流器的脉波数线路频率整数负荷侧逆变器的脉波数负荷频率 当负荷为电动机时这个频率与电动机实际转速有关稳态时 电流中

22、存在下述频率式中 线路电流频率分量当 时相当于直流联络线电流中的直流分量 这个公式给出线路电流中的特征谐波 当时该公式给出谐间波频率最高幅值的谐间波频率为图 和图 给出了频率分量的概况频率轨迹下的数字是系数 即每个频率分量下线路电流与相应联络线电流之比附录 给出了谐间波电流初步近似中所应用的公式也是图 的应用实例制造商可提供更详细的资料直接变流器产生的谐间波电流直接变流器是没有中间联络线和储能装置的变频器 它们转换线路频率的范围在 直流 到线路频率的 左右三相到三相的变流器称为周波变流器它能控制频率和电压幅值它们主要应用于大型三相旋转电机的速度控制既可通过处理传递装置的总能量又可通过处理转差能

23、量来控制 在第二种情况下 变流器经滑差环连接到感应电动机其速度控制被限制在与同步速度相近的狭窄范围内 周波变流器串级从三相到单相的直接转换的典型应用例如公用供电电源与铁路单相供电电源之间的联络线 或者象需要很低频率的某些冶金熔炼过程的交流电源 电源电流的频谱由特征谐波决定此外还存在边带频率 它们由下式给出单相负荷情况下见图三相负荷情况下周波变流器见图式中 与电源变流器脉波数相对应的特征频率周波变流器的输出频率图 图 和图 示出了不同负荷参数的影响例如负荷频率的高低脉波的配置谐间波电流幅值主要取决于负荷电流负荷功率因数电动机电压与实际转速有关变流器控制方法 例如正弦控制不规则四边形控制等次同步串

24、级这类转差控制由简单的间接变流器实现常用于调节中等功率的感应电动机的转速 大约将转速控制在 到接近同步速度的范围内 转子绕组将能量 通过整流器 直流联络线和逆变器返回到交流电源侧整流器和逆变器产生的谐波电流流入供电电网 此外从转子侧整流器产生的谐波电流由于绕组的旋转而使频率变换图 表示线路电流中产生的频率 是速度的函数于是有下列方程定子作用和转子作用式中 与交流电源侧相连的变流器的脉波数转子侧整流器的脉波数同步转速实际转速转差率图 给出了超同步和次同步串级的例子其中转差能量是由周波变流器控制的线路侧自换相变流器如果拍频不是线路频率的整数倍则会产生谐间波电压或电流电弧炉电弧炉产生谐波和谐间波频率

25、 变流器产生离散的频谱而电弧炉产生连续的频谱 这种情况下应考虑谐波频谱密度图 给出了它的一个例子谐间波频率分量的迭加只有在例外情况且在短期内谐间波分量才具有相同的频率因此只有在这些情况下谐间波的迭加才是可能的三相不平衡骚扰源的描述概述当不平衡负荷接入电力系统时出现不平衡的三相电压 不平衡负荷吸收的电流其三相的幅值或相角不同负荷例如三相交流电动机 发电机和变流器在正常运行期间一般不引起不平衡 可是由于不完善的设计会出现较小的不平衡但通常这是可忽略不计的而且也不可能用一般规则来计算不平衡电压也可能是由于对称电流在线路阻抗不平衡的电力系统中引起但这超出了本指导性技术文件的范围一般情况下系统中可能出现

26、不平衡谐波 但在这里不作讨论 本指导性技术文件仅涉及基波电压和电流的不平衡不平衡负荷举例所有单相负荷 无论是按相 中线连接还是按相 相连接 都是不平衡的典型实例有加热设备照明设备单相变流器和整流器交流控制器交流牵引设备焊机这些负荷应尽可能地在三相上均匀分配以减少整体的不平衡 尽管电弧炉是三相设备也会出现很大的不平衡发射特性对称分量法利用对称分量法能将不平衡系统分解成三个分量即正序负序和零序分量注 零序分量超出了本指导性技术文件的范围 它们对相间连接的负荷没有影响在任何系统的线对地电压中都存在零序分量即使中性点不接地它们也能在线路电流中存在 这种电流可通过线路对地电容而流入地中负序电流的估算对上

27、述所有单相负荷单独的或组合的来说负序电流的计算都是相同的 以 相无负荷时的电压作为所有相角的参考方向如果 三相电流的幅值和相位移已知则能用下面的公式来确定合成的负序电流连接到相 中性点的三相负荷连接到相 相的三相负荷在单相负荷连接到两相之间的情况下则详细资料见附录负序电压的估算由负荷产生的负序电压可按下式计算取负序阻抗 等于电网的正序阻抗 它与旋转电机的次暂态阻抗有关可将公式转换为式中 相对负序电压负序电流处的三相短路电流几个源的迭加利用 中所给出的公式可以计算稳态运行时多个不平衡负荷所产生的负序电流如果负荷变化即幅值或相角变化 那么可以使用为谐波给出的相同的统计求和规则实际上可将负序分量看成

28、是 次谐波分量 因此如果使用方法 那么差异因数 的近似值与表 中 次谐波的差异因数相似电压变化闪烁和电压暂降电压变化概述电压变化是由接入电网的负荷所吸收的无功和有功电流的变化而引起的从而导致在电网阻抗上电压降的变化见图在某些情况下它们也可能是在发电出力或电网结构变化时引起电网短路功率变化所引起的 这些变化导致电网阻抗变化 本标准中则忽略它们而将电网阻抗取为已知的常数一般情况下大负荷时电压维持稳定状态单一负荷的变化或发射将以这样的方式来限制 即稳态运行电压 维持在约定的电压范围内见图 以适合与所有 或 点相连的运行性能由于大负荷的投切 或负荷阻抗的变化较大例如 电动机启动或电弧炉投入运行 即使电

29、压处于约定的电压范围内 由 引起 较大的动态变化这被认为是一种骚扰现象下面考虑这种电压变化的情况引起较大电压变化的负荷举例典型的实例有电弧炉的运行焊机的运行电动机启动电容器投切图 表明了电动机启动是如何引起运行电压变化的 几台电动机的启动也可通过同一图形用各启动电流的矢量和来表示由耦合点单一负荷引起的动态或相对电压变化的估算相对电压变化的简单估算可按下述公式进行见图电流变化电网阻抗对于单相或三相对称负荷与电压闪烁估算方法一样在第 级 点的发射限值要求为在第 级 点的发射限值应考虑实际电压电压波动的迭加考虑到存在各种骚扰源下述规则适用于 级 点用代数方法将波动负荷的平均有功电流和无功电流相加得出

30、等值的由最大的动态变化得出 值仅在某些特殊情况下 才考虑同时产生的骚扰闪烁概述闪烁是波动照明的主观印象是由下述迅变负荷引起的电弧炉焊机电动机的启动与停机如果电压相对变化的频度在 次 和 次 变化之间这种现象的详细论述见附录 中引用的 导则闪烁发射的估算给出了分析模拟和直接测量的估算方法和 的限值对 级 点和 有效一般地 当第 级 点没有照明负荷时不需进行闪烁估算若有照明负荷时可按照第 级的规则进行闪烁估算电压暂降概述电压暂降是供电系统中某点的电压突然减小并在随后的半个周波至几秒的短时间后恢复电压暂降是由电网和设备的故障或由负荷的突然变化引起的骚扰的估算对中压 公用供电电源系统骚扰的深度持续时间

31、和每年出现的频度的分类统计可从欧洲得到而工业系统的统计尚不能得到根据上述统计 估算工业系统中骚扰幅值将是可能的可以估算 中所示的任一耦合点的大幅度突然变化交流控制器 负荷定期投切三相桥式联结变流器直流电压 直流电流 及在每相之间循环切换的阻抗与电流 电弧特性 有关的电阻与电流 磁饱和 有关的电感 接入饱和电感图 变流器或产生谐波或谐间波交流电流负荷的示例阻抗 的实例无源负荷感应电机漏抗滤波器电抗变压器漏抗电缆容抗高压电网的电抗表示并联连接 所有阻抗是被折算到同一电压等级并与谐波次数 有关图 与谐波源 等效的电源侧合成阻抗 的估算如果 并且 则图 关于几个谐波电流源 电源谐波水平 负荷侧谐波阻抗

32、以及电源侧谐波阻抗 情况下内部耦合点合成谐波电压 的估算适用于 的电源适用于 的电源实线适用于 脉波变流器虚线适用于 及 脉波变流器图 交流供电电源的线路电流 中由直流联络线的谐波电流 产生的谐间波频谱图参数 为 与 之比频率 单位为 单相负荷 三相负荷图 由直接变流器产生的谐间波频率图 在 周波变流器驱动装置的公共耦合点谐波与谐间波电压的测量图 在公共耦合点及变压器 端子上谐波与谐间波电压与电流的测量 系统与图 的相同转差率 与 共有的频率分量 的频率分量 的频率分量线路电流中的频谱分量 为转差率 或转速比 的函数接线图图 次同步串级图 在超次同步串级驱动装置上测得的谐波和谐间波电流图 电弧

33、炉离散频谱实线及连续频谱虚线的实例与电弧炉额定电流有关的 谐波的函数带宽等值电路矢量图图 稳态及动态电压变化稳态电压变化 动态电压变化图 稳态及动态电压变化附录提示的附录谐波发射负荷特性及谐波发射典型随时间变化的不同类型负荷及其主要发射的骚扰如下就交流电弧炉及直流焊接变流器而论驱动与牵引装置变流器会形成一个在稳态之间频繁和迅速变化的负荷 其峰值电流可能上升到额定电流的 倍 除谐波电流外 还可能产生电压波动和瞬态的谐间波有些装置的应用会产生重复性的短时大电流 例如在点焊中或在负荷侧 如在沉淀器中 经受或多或少频繁的短路则会引起电压波动较慢变化的负荷则是精炼 热处理的电 热过程以及一些使用变流器的

34、发射谐波电流的电机或磁线圈的励磁 在这些情况下通常不会超过额定电流电化过程例如电解镀锌和金属酸洗以及连续发射谐波电流的传递电子管的高压电源以及照明装置均是固定不变的负荷使用电弧的电热过程例如交流电弧炉 焊接或熔炼等则是一种强烈变化的负荷它们会产生一带宽的谐波和谐间波电流 电压波动和不平衡 而且全都是无规则的变化在较短电弧的情况下电流可增加到其额定值的 倍静止补偿器的交流控制器通常补偿电弧炉的不平衡和无功功率的波动此外还会产生较大波动的谐波和谐间波电流 电动机起动器的交流控制器可以瞬时地产生高次谐波感应电机或变压器的合闸会产生瞬态谐波电压暂降和不平衡电容器或滤波器的合闸会产生瞬态的谐间波电流和电

35、压暂降 在所有这些情况下峰值电流会远远超过额定的峰值电流变流器的典型发射数据基本数据可见 和作为初步近似可以考虑以下的事项给直流负荷提供 因电感而变得平滑的 直流电流的三相桥式变流器如图 和 所示在三相桥式接线中 大多数都使用了可控变流器而且运行时直流电流是非间断的 因此按布置时的数值范围是给定的 它们取决于控制角 或相对的直流电压短路比 以及直流电流的纹波直流电流的平滑度用以下比值表示式中 在线路频率下直流侧的电抗包括负荷侧的电抗线路频率下交流侧每相的电抗包括线路变压器或换相电抗器的电抗见图 和直流电流平均值时理想的无负荷直流电压式中 实际线电压均方根值式中 实际直流电压 均方根值控制角感性

36、直流电压调整率是短路比即阀侧短路功率与在理想工作点 处变流器的直流功率之比为纹波电流中的 次谐波电流分量均方根值交流电源的电流基波分量均方根值是交流电源的电流的谐波分量均方根值为谐波次数为自然数如果忽略任何直流电流的纹波 及换相现象 则相对的谐波电流等于忽略这些因素后引起的与公式计算结果的偏差如下在图 和 中就谐波次数 和 示出了线路侧相对谐波分量与控制角 之间的关系 相对于短路功率 和 时的参数平滑度为 和 较高次的谐波的数值则列于表和平滑度 时的准确值见 中的图由于重叠角的增大较小的相对短路功率会产生很小的谐波分量随着直流电流纹波的增加 即平滑度降低 其相对 次谐波含量明显地高于理论值这尤

37、其适用于有脉波直流电流的运行情况 相应地在有 个 串联的 脉波变流器的情况下线路电流的 次相对含量将增加到 以上 但在两个 并联的情况下它几乎是不变的整数次的非特征谐波但可能因为线路电压或阻抗或控制角的不平衡而出现脉波运行在两个 接线并联或串联供电相位移为 和负荷相等的情况下一部分 次和 次谐波会被抵消 但由于两个整流桥之间的直流电压或电流分布不均匀 预计有高达 的 次和 次残余谐波分量关于线路侧谐波电流的相角在计算几个变流器同时运行所产生的扰动时相同的 次谐波电流是向量相加的相角 是正向过零的基波相电压与谐波频率为 的谐波电流之间的相角差正的 表示谐波电流 的相角滞后作为初步探讨对 和 使用

38、 因此较高谐波次数的相角分布范围较宽 因此 正号对或 连接的变流器变压器有效而负号则分别适用于直接连接的变流器和按 或 接线的变流器变压器交流电流中的相对谐波电流表 表 和表 列出了在短路比 时相对直流电压 相应的控制角 以及直流电流中 次谐波分量的合成直流电流纹波 的三个数值运行的正常范围为可控较低的直流电压可控的常见直流电压不可控的直流电压在平滑度较高的直流电流情况下表 直流纹波较低时的相对谐波电流在中等平滑度的直流电流情况下表 中等直流纹波时的相对谐波电流在平滑度较低的直流电流情况下表 直流纹波较高时的相对谐波电流交流电源谐波电流的中间值更详细的估算见附录 的文献 和线路侧谐波电流的相角

39、在良好平滑的 电流的情况下式中 重叠角交流电源的相电压交流电源中的相电流交流电源的角频率根据变流器变压器的绕组接线方式 可用以下关系式近似地计算相角变流器直接地或通过 或 接法的变压器与电源连接电流与电压波形见图对对变流器通过 或 接法的变压器与电源连接电流与电压波形见图对注 即使出现直流纹波 这些公式也适用于 次和 次谐波电流 关于直流侧电流纹波对交流侧 次谐波电流的影响见附录 中的文献通过 滤波器给直流负荷供电的三相桥式变流器如图 所示当可控变流器通过带有足够大的平波电抗器的滤波器向带有直流电压联络线的变流器供电时可使用与间接变流器相关的资料 当满足下述条件时可得到很高的平滑度式中 交流电

40、源的角频率滤波器的谐振角频率给直流负荷供电的带有平波电容器的三相桥式变流器如图 所示由 连结的二极管整流器直接为大型平波电容器供电时在交流电源电抗较小的情况下会出现较大的谐波电流表 表示相对谐波分量与相对短路功率 的依赖关系图 表示交流电源 次及 次谐波的中间值 在附录 的文献 中给出了有关幅值和相位特性的更详细结果关于直流电压纹波更详细的计算结果见附录 中的文献 与如果忽略直流电压的纹波 假设 则低次谐波电流的相角范围大约为谐波水平很大程度上取决于交流侧和直流侧的滤波器应向制造厂提出要求当在电网中同时有很多这样的装置运行时 其低次谐波 尤其是 次和 次 的相角非常近似因此它们几乎是代数相加的

41、表 给大电容供电的二极管 的相对谐波电流关于其接线及其谐波发射的更详细资料参阅附录 的文献含有一对或几对反向并联连结的直接变流器如图 所示由一对变流器馈送的单相交流负荷如图 所示由称之为周波变流器的三对变流器馈送的三相交流负荷对于交流电源中特征次数即 次的合成谐波电流可使用与间接变流器相类似的值这些数值一般较低的但增加了边带频率的谐间波 更精确的计算见附录 中的文献交流控制器交流控制器通过交流线路中反向并联连接的晶闸管来调整负荷上的交流电压与电流 有单相和三相控制器之分 图 中 和 表示通常所使用的接线方式线路电流的相对谐波分量取决于电路的比值 以及控制角表 表示在控制范围内谐波电流的最大值表

42、示基波负荷电流的最大值按照图 的单相接线给出了几个 比值下的这些数值适用于图 中所示的电路 注意中性线流过三倍的 次谐波电流 谐波电流的相角取决于 之比和触发延迟角表 给出了更多的资料 包括单相交流控制器的最大相对谐波电流以及较低谐波次数的有关相角这些数值即关于幅值 对图 的具有相等点火延时角的三个单相控制器也基本是适用的但和 次谐波被抵消 最大基波电流 及 为关于按图 和 结线的交流控制器的谐波电流的详细资料见附录 的文献三相交流控制器常被用来控制变压器的初级电压 该变压器的二次侧通过二极整流管给高压或大电流的直流负荷供电 通常采用电抗器使直流电流的波形平滑 谐波电流取决于交流控制器和变压器

43、的接线控制角以及平滑度 应要求制造商提供预期的谐波电流值表 单相交流控制器的某些次谐波的 值与负荷比 的关系次数注 在最不利情况下自换相变流器与线路侧连接的自换相变流器都能补偿无功功率 并减小谐波电流 由于还很少采用这种新技术所以 目前尚未对它进行讨论电弧炉交流电弧炉产生的谐波电流以及其波动取决于几个因素例如运行方式残渣的类别温度和电极的条件等 由于谐波是随机变化的其测量值取决于谐波分析仪的配置附录 中的参考文献 给出了一个电弧炉测量频谱的实例 见图 但其他一些电弧炉的频谱有较大的偏差谐波的相角在较大范围内随机变化交流焊机经高电抗变压器进行点焊的交流焊机并不产生明显的谐波 只是当焊弧起燃时或焊

44、接电流受交流控制器控制时才产生谐波电流 因为负荷回路具有高电抗这两种情况下的谐波电流都很低表 中 适合于焊机 但是焊机所产生的主要骚扰是电压波动荧光灯荧光灯大多数经过镇流器接入电源 由于放电电弧的非线性阻抗 故它们产生幅值和相角恒定的谐波电流将取代白炽灯泡的现代荧光灯管由高频发生器供电 目前交流电源通常输入到在直流侧接有平波电容器的单相二极管桥式电路同一供电电源中的计算机电视机等与荧光灯一起大量的增加会在整个电网中产生较高的谐波骚扰水平尤其是 次谐波 此外 在中性线中预期会可以预期有较高的三次谐波电流饱和电感元件的操作变压器与交流电机的涌流取决于操作瞬间的相角和有效铁芯部分的剩磁 涌流含有整数

45、倍低次谐波其中包括零次的直流分量 谐波分量衰减的时间常数在几秒到几分钟大功率变压器 之间电容器组的操作电容器的合闸会激发谐振其频率由电容和所有电源电感决定 在有滤波器的情况下 其合成谐振频率稍低于滤波器调谐的频率这种谐振在 到 个周期内 即在小于 内 衰减注 无功补偿的设计应避免无调谐电抗器时的电容量 因为其中之一的谐波会引起并联谐振 为了不升高线路电压 还应防止过补偿直流驱动装置和静止补偿器电流源型逆变器附加的滤波电容和电压源型逆变器图 交流电源侧的晶闸管变流器和带有的平波电抗静止补偿器 和 直流电机 之间的直流电压直流电压 和频率为 的交流电压 的叠加直流电流 和频率为 的交流电流 的叠加

46、图 交流电源侧产生谐波谐间波的变流器的等值电路图 交流电源侧带有滤波电容和电压源型逆变器的二极管整流器次谐波分量次谐波分量参数 平滑度 和图 次和 次相对谐波电流与控制角 的关系变压器 或 连接时电压和电流的波形图 经变压器与电源连接的变流器的原边电压和电流变压器 或 连接时电压和电流的波形电源电流中谐波电流频谱 以基波电流过零为基准 左图对应情况 右图对应情况图 完图 在提供无纹波直流电压的 接线的二极管整流器交流电源侧的相对谐波电流单相输出三相输出 周波变流器图 直接变流器单相控制器 三相控制器 星形连接 负荷连接成星形 三相控制器 三角形连接图 交流控制器的接线附录提示的附录谐波传播计算

47、与谐波电压分量估算时的网络阻抗范围本附录涉及到计算电力系统中谐波电流分布和谐波电压分量时必需的阻抗的估算 这里还提供一种简单的方法其频率限于 次谐波以下并适用于工业设备 计算的准确度随频率的增加而减小 因此对于临界的情况辅助测量是有用的其目的在于指导系统设计者计算谐波频率下的网络阻抗引言与供电系统连接的负荷可能产生谐波电流 并流过电网的不同支路谐波电流会在系统各元件的阻抗两端产生电压降 因此 被考虑的负荷会在其连接点和整个系统产生谐波电压 这些谐波电压的幅值以及电网中谐波电流的分布由电网中不同支路的谐波频率阻抗以及谐波源的大小及位置来决定计算方法谐波电流的分布及谐波电压的计算应考虑供电系统的内

48、部一直到网络的无穷大电动势处的阻抗以及与同一系统并联的所有设备的阻抗 可能包括以下的阻抗与被研究系统连结的高压供电电网变压器及限流电抗器交流旋转电机电缆与架空线为改善功率因数而安装的电容器谐波滤波器大型负荷具有高内阻的负荷 用电感方法使直流电流平滑的电网换相变流器 通常被认为是理想的谐波电流源一般地当考虑电网中谐波电流的分布时忽略电网的非对称性 在这样的假定下可用单相等值电网来进行谐波分布的研究 另一方面在计算骚扰负荷注入的谐波电流量时将考虑其非对称性注 仅考虑线电压 因此 这里不涉及零序网络在研究简单系统的情况下可进行人工计算但是一般在比较复杂的电网结构中人工计算是繁重的尤其是如果计算不同耦

49、合点在各种频率下的谐波电压分量时更为繁重 在这种情况下 建议使用计算机程序来进行电力系统分析 市场上可买到很多这类程序谐波电压的确定作为初步近似 当假定负荷注入的谐波电流和电压并不在很大程度上取决于谐波频率下的电网特性那么可以估算系统中的谐波电压分量 注入电流主要取决于平滑度被考虑装置的运行条件在某种程度上还取决于骚扰设备连接点处的短路功率注 感性负荷较大的电网换相变流器在频率高达 次谐波的范围内起谐波电流源的作用 其他骚扰设备会起谐波电压或电流源的作用单一负荷产生的谐波电压的计算是用连接点处的网络内部阻抗乘以注入的谐波电流 在此情况下内部阻抗是从负荷端朝电网里看去的等值阻抗 是针对每一谐波频率来计算的 计算应考虑馈电线的阻抗以及包括谐波滤波器在内的所有并联设备的阻抗图 表示系统中对两个不同点计算 的实例应注意当网络或和负荷条件不同时 可能有较大的变化 因此 设计者掌握 变化范围的全部资料是重要的网络阻抗随频率的变化一般而言 是频率的复杂函数 但在某些情况下