安科瑞有源濾波器智能建筑中的應用

任運業

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:隨著科技的進步,能建筑中廣泛使用高靈敏度的現代化用電設備和裝置。高次諧波污染往往導致這些電子系統運行錯誤乃至損壞。通過諧波保護器能夠凈化電源，保護用電設備和功率因數補償設備,防止保護裝置誤跳閘,從而保證設備正常穩定地運行。

關鍵詞:智能建筑;諧波，諧波污染;諧波保護器;諧波治理;電能質量

0引言

為了適應現代社會信息化與經濟國際化的需要,智能建筑中使用了大量的現代化用電設備和裝置,如通信系統、計算機、網絡控制設備、變頻空調、數碼辦公設備、燈光調控設備、消防系統、監控系統等,惡劣的諧波環境對保證系統和設備的正常運行造成了較大的威脅。

電子計算機、微處理器以及其他電子儀器設備普遍存在著絕緣強度低、對諧波環境要求高、過電壓耐受能力差等缺點。高次諧波污染往往使得這些高靈敏度的電子系統在運行時經常出現程序運行錯誤、數據錯誤、時間錯誤、死機無故重新啟動,甚至造成用電設備的損壞,給人們的工作和日常生活造成了巨大損失。

在消除或抑制諧波危害方面,智能建筑系統以往只是采取一些防范措施(如根據負載確定電力變壓器額定容量時,考慮諧波畸變而留有裕量;為易受干擾設備加裝線路濾波器等)。這些措施無法從根本上消除諧波危害。

采用改良技術的諧波保護裝置(HPD)能吸收各種頻率各種能量的諧波干擾,從發生源消除諧波，自動消除對用電設備產生的隨機高次諧波高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾。

1諧波的危害及防范

電網諧波(分量)的定義為:對周期性交流量進行傅里葉級數分解,得到的頻率為基波頻率整數倍的分量。理想的供電應是單一恒定頻率與規定幅值的穩定電壓。但隨著各種新型、多功能用電設備的不斷更新，這些非線性電氣設備使電網電壓、電流波形實際上是不同程度畸變的非正弦波。非正弦波含有對人體及用戶設備產生危害的高次諧波。

智能建筑中諧波主要來自兩方面。一是大量非線性負荷形成的諧波源,例如計算機系統、開關電源、電子式熒光整流器等導致配電系統的電壓電流發生畸變，產生諧波;二是公用電網本身具有一定的諧波含量和配電變壓器作為諧波源產生的諧波,由公用電網側傳輸至配電系統。

1.1諧波產生的危害

惡劣的諧波環境將會對智能建筑中用電設備和系統造成巨大的危害。主要表現在以下幾個方面:

(1)電腦死機。于設自身生的接電流在設備和真實地之間產生一個電壓降，因此，容易使電腦死機。雖然設備能將這種擾動的敏感性降低,但不能wan全消除,特別是當噪聲頻率較高的時候。

(2)屏幕頻閃。高次諧波會在中性線上疊加,中性線電流能夠在建筑物金屬結構上任意流動，從而產生不受控制的磁場，即引發計算機屏幕的頻閃現象。

(3)燈光頻閃。由于開關短路以及負載變化而引起的短時間電壓變化將會引起燈光頻閃過度的頻閃將會使人體不舒服。

(4)影響控制裝置的正常運行。嚴重的諧波畸變會引起在一個正弦周波內的額外過零點，影響測試設備，干擾程序控制裝置的同步性，導致控制裝置死機。

(5)數據網絡堵塞。智能建筑中線纜密布系統設備繁多,微電子裝備復雜,且防護能力弱高次諧波將會使智能化系統設備產生誤碼、錯碼誤動作,使信號系統受到污染、產生噪聲甚至連通話質量都不能保證。隨著低電壓信號在IT設備中使用的增加,比特錯誤率也隨之提高,甚至可以高到使整個網絡癱瘓。

(6)功數補償設產故。在電壓作用下,電容器會產生額外的功率損耗加快絕緣介質的老化。更為嚴重的是,大量諧波電流很可能引發電容器和系統其他元件之間的并聯諧振或串聯諧振,造成電容器超載而損壞;使與電容器連接的配電回路中所有線路、設備因電壓閃變、超壓、過負荷而損壞。據統計,七成以上的諧波故障發生在電容器裝置上。

(7)保護裝置誤跳閘。配電回路的諧波電流含量高會使斷路器遮斷能力降低。這是因為畸變電流過零點時,電弧電流隨時間的變化要比工頻正弦電流大,電弧電壓的恢復要迅速得多,使電弧容易重燃導致誤跳閘或在該跳閘的時候根本不跳。剩余電流可能會達到使剩余電流保護裝置動作的設定值。事實表明,空氣電磁斷路器不能遮斷其分斷能力范圍內波形變率超過五成的故障電流，而且還會導致斷路器損壞。

(8)嚴重干擾感應式電能表。在諧波環境下,電能表記錄的是基波電能及部分諧波電能諧波電能會使得用電設備性能變壞，因此用戶不但多交電費,而且利益受到損。

(9)在負載適中情況下變壓器過熱。諧波會引起變壓器的額外損耗,這些損耗將會導致變壓器早期故障。隨著當前裝置需要運行到限值的趨勢以及低電壓系統日益增加的諧波污染，這個問題也變得日趨嚴重。

(10)感應電動機損耗。電壓諧波會導致感應電動機的額外損耗。高次諧波導致的扭矩脈動在聯軸器和軸承處會產生磨損和裂紋。由于電機速度是固定的，諧波中儲藏的能量就以額外的熱量形式散發了,導致設備過早老化。

(11)集膚效應引起的導線過熱。對于電力電纜和配電線路,諧波電流頻率增高會引起明顯的集膚效應導線電阻增大(如一根直徑為20mm的導線在350H時具有比其直流電阻率高六成的視在電阻),線損加大，發熱增加,絕緣過早老化,容易發生接地短路故障,形成潛在的火災隱患。在智能建筑中大量集中使用電子計算機和大面積采用電子節能氣體光源照明的場合,中性線電流甚至達到相線電流的2倍致使中性線過熱燒毀,甚至導致火災。

1.2諧波污染的主要防范措施

為保證智能建對3A系統(自動化系統、辦公自動化系統通信自動化系統)運行的高可靠性要求，在設計和施工階段，目前主要采取以下措施預防諧波對電子設備的干擾。

(1)為電子設備設計回路供電,盡可能避免諧波干擾沿供電線路竄人。

(2)為易受干擾設備加裝線路濾波器,消除或抑制諧波分量,達到凈化電源的目的。

(3)該設備配盡能離電流畸變嚴重的線路,以避免空間電磁干擾。

然而,這些措施卻不是從源頭對諧波污染進行治理。

2諧波保護裝置

某公司推出的諧波保護器從源頭消除了諧波污染,為用電設備提供諧波保護功能。HPD采用了超微晶合金材料與創新科技的特別電路，在2kHz10MH頻段內有較好的濾波吸收效果,對用電設備產生的隨機高次諧波和高頻噪聲、脈沖尖峰、電涌等干擾具有抑制和吸收作用;隨時測量電壓波形,瞬時濾除電源中的尖峰浪涌(雷電)、雜波,矯正因諧波影響而產生畸變的電壓波形;除對電源中的干擾噪聲有濾波作用外，還對電源波形有矯正作用,把有用的電能返還到電源,達到提高電能質量的效果。

2.1 HPD工作原理

HPD的工作原理如圖1所示。

圖1HPD的工作原理

首先要探知電壓瞬間急劇變化的情況，根據感應線圈的成分，使能源延遲接收;根據電容器的成分,將能源先暫時儲存;當逆向電壓繼續變化時,將能源返還原處后取消;用電壓變化之差,將多余的能源分割成復數諧振成分后返回;根據內部阻抗(電阻)的成分，以熱能形式逐漸消耗。HPD將電源線上傳輸的不需要的噪聲成分作為熱量全部吸收而不丟棄。將能源返還到電源線上的同時形成清潔、光滑的電源波形。在這里高科技的超微晶合金材料起到了重要作用。HPD使用時并聯在電路中,本身不耗電.

HPD典型接線圖如圖2所示

圖2HPD典型接線圖

2.2 HPD功能

(1)自保護用電設。于設自身產的接地電流在設備和地之間會引發一個電壓降當噪聲頻率較高時,很容易造成計算機、電子設備、PLC電機、電器等死機。HPD能自動消除具有破壞性的高次諧波、高頻噪聲、浪涌、尖峰瞬變等,確保了用電設備的使用壽命。

(2)凈化電源。HPD具有很強的抑制諧波能力,可消除九成九的因各種諧波引起的電壓電流的畸變，防止諧波引發的計算機屏幕頻閃，以及由于開關、短路、負載變化引起的燈光頻閃。

(3)保護補償備。高率可能和雜散的電網電感及功率因數補償(PFC)設備組合的諧波頻率形成并聯諧振回路,諧振電路引起的諧波放大使電壓和電流波形畸變更為嚴重,從而導致設備過早出現故障。HPD消除了諧波污染確保了功率因數補償設備的使用壽命(4)防止保護裝置的誤跳閘。諧波電流會導致斷路器誤跳閘或是在該跳閘的時候根本不跳HPD可有效防止保護裝置誤跳閘。

2.3 HPD用場合

(1)計算機電子設備PLC電機電器等

(2)凈化電源，消除浪涌、尖峰電壓、電路噪聲和靜電等干擾。

(3)晶閘管整流裝置

(4)絕緣電阻。導電部分與外殼間絕緣電阻 ≥50 Mn(冷態)。

(5)電腦服器(包括流水生產線上的各類服電機等)。

(6)電子光裝置。

(7)電子鎮流裝置。

(8)各類高壓燈具(如碘鎢燈、汞燈節能燈、日光燈等)。

(9)電腦供電系統

(10)不間斷電源裝置(UPS)

(11)電梯空調等。

(12)復印機微爐像機電視機及各充電器等日常辦公生活用電器。

(13)電腦網絡。

2.4 HPD主要性能指標

(1)額定電壓。額定電壓為250V，50/60HZ

(2)鉗位電壓。相(L)對中性(N)電壓為510V

(3)抗浪涌電流。對2500V的浪涌電壓(1.2/50us),浪涌電流不超過12000A(8/2048)

(4)絕緣電阻。導電部分與外殼間絕緣電陽≥50MN(冷態)。

(5)耐壓。導電部與外殼應能承受電AC2000V，歷時1min，無擊穿和閃絡現象(試驗時電路中的并接在L和N之間的兩只聯電容應斷開)。

(6)剩余電流。相線對地中性線對地間的剩余電流S2mA(冷)。

(7)濾波效能。并接在網電源上對網電源中的尖峰瞬變和2kHz~10MH雜波有明顯的濾波效果。在頻率100kHz左右不低于40dB。

(8)其他。功耗:小于3W;接點容量:50A:外殼;鑄鋁;安裝尺寸;122mmx100mmx65mm;端子:酚醛樹脂，耐高溫900C。

3 安科瑞APF有源濾波器產品選型

3.1產品特點

(1)DSP+FPGA控制方式，響應時間短，全數字控制算法，運行穩定；

(2)一機多能，既可補諧波，又可兼補無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；

(3)具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能；

(4)模塊化設計，體積小，安裝便利，方便擴容；

(5)采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制，使用方便，易于操作和維護；

(6)輸出端加裝濾波裝置，降低高頻紋波對電力系統的影響；

(7)多機并聯，達到較高的電流輸出等級；

3.2型號說明

3.3尺寸說明

3.4產品實物展示

ANAPF有源濾波器

4 安科瑞智能電容器產品選型

4.1產品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線損、提高功率因數和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成。可替代常規由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現代電網對無功補償的更高要求。

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找適宜投入（切除）點，實現過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。

4.2型號說明

AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

4.3產品實物展示

AZC系列智能電容模塊AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補償裝置智能電容方案

5結語

智能建筑中的諧波污染對設備造成了大量危害。脈沖干擾會導致電子器件、設備的損壞,計算機及應用計算技術的儀表程序錯誤,存儲丟失甚至系統損壞。在實際工作中,由于諧波具有多發性隨機性和不可重復性,使設備性能下降、無法工作的現象時有發生。為保證現代智能建筑中各種不同類型設備和計算機及電子裝置正常可靠、穩定地運行,所以要采取相應措施,消除對用電設備具有破壞性的高次諧波、高頻噪聲、浪涌、尖峰瞬變等,防止計算機電子設備、PLC、電機電器等死機,確保用電設備的使用壽命。

參考文獻:

[1]戴瑜興,張義兵，故慶偉智能建筑諧波和無功功率[1]的綜合治理[J].電工技術雜志，2003(12):31-33.

[2]鄭國興.諧波保護器及其在智能建筑中的應用[J].低壓電器,2007(20):55-58.

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2022.05版.

作者簡介

任運業，男,現任職于安科瑞電氣股份有限公司。