柴油发电机电压谐波畸变因由、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机构中存在大量非线性阻抗特点的用电负载，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，一般用谐波来表征。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征或非正弦电流特性的用电装备产生的，于是用户在采购柴油发电机组时应注意装备生产代理商供应的畸变率最高值或排除电压畸变率的举措。

　　      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。

　　      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（含义为基础波形）。例如：康明斯发电机公司的电力电压波形为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。

　　      用数学的步骤可以证明，任何一个周期性波形都可以分解为基波和谐波。因此，当发电机电压产生畸变时，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。

　　      谐波电流是引起发电机发热、电缆发热、跳闸、无功补偿机构烧毁的具体缘由三亚康明斯发电机。

　　      谐波电压是电子装备误动作的主要起因，因此，类似于参数中心这种电子装备为主的用户，担心电子装置受干扰而特别关注发电机谐波电压畸变率的问题。通常要点电压畸变率小于5%。

　　      谐波电流是谐波的根源，谐波电压是谐波电流的产物。因此，要彻底处理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发生的，对于特定的配电机构，谐波电流与谐波电压之间的关系如下（欧姆定律）：

　　      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致使较大的谐波电压。只有当装置阻抗较大时，谐波电流才会发生较大的谐波的谐波电压。例如功率较小（对应阻抗较大）的状况，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（对应阻抗偏低）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。

　　      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%长沙康明斯发电机。

　　      柴发机组技术要点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情形称为电压正弦波形畸变。一般以谐波来表征。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高效值之比的百分数来表示。

　　      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高效值之比的百分数来表示。其数学表达步骤为：

　　      式中，Un指的是第n次谐波电压高效值，V；U?指的是基波电压有效值，V。

　　      柴发机组供电后，会在供电网络注入谐波电流，谐波电流在大电阻抗上产生谐波电压，谐波电压迭加在正弦波形的50Hz供电装置上，并施加在所有接于供电系统的负载装置端，对这些装备的正常工作产生影响。主要会致使负荷装置损耗增加，发生局部发热，导致电热器和电热机的过早事故；电机的机械震动增大，噪音提升，造成工作环境噪声污染；对电子元件发生干扰，致使工作失常；对自动机构或检测仪器发生干扰，图像和通讯品质下降。

　　      谐波导致发电机发热源于两方面缘由，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危害了发电机操作容量的降低程度。

　　      在三相对称回路中，三次谐波在三相导线中相位相同，在中性线倍于相线的谐波电流和谐波电压，致使中性线温度升高。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，因此谐波导致中性线发烫问题值得关注。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。

　　      智能建筑中自动化及电子信息装备均要求有偏高的电源质量咸宁康明斯发电机，且都作业于低电压水平，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系统的严重事故。

　　      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）产生损坏。谐波电流使低压电器设备铁损、铜损增加，集肤效应加剧，从而发生不正常过热，误动作等事故。

　　      发电机的电压波形畸变率对感性负荷影响最大，如损耗、电磁噪声、启动电流、温升等指标变大，发电机或变压器等切换效率变低。因此，避免和改良方案是非常必要的。

　　      负序磁场是致使电压波形畸变率的主要条件，所以应采用方法来削弱负序磁场，凸极电机的励磁绕组对负序磁场有阻尼功用，但不够，且会影响励磁电流，故而考虑增加交轴阻尼绕组，效果该当不错。为了提升阻尼效果，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危害，一般应按下列原则购买：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。阻尼绕组具体包含阻尼槽、阻尼端板、阻尼条。阻尼条就是穿过阻尼槽的金属导体，通常为圆柱形（如图4所示）。端板截面积通常为一极的阻尼条总截面积的一半。阻尼端板与阻尼条选用焊接连接。

　　      在根据负荷确定柴油发电机组额定功率时，应考虑谐波畸变而预留功率空间。一般在民用建筑规划中通常应保证柴油发电机组负载率为70%～80%左右，该负载率的工程富余量即可避免谐波导致的发电机过热危害。

　　      在电缆截面选择中应考虑谐波导致线缆高温的危害。对于联接谐波具体扰动源设备的配线，确定线缆载流量时应日有足够余量，可适当放大一级选定线缆截面。在三相四线制供电装置中，应考虑三次谐波电流和高次谐波电流致使的趋肤效应对中性线的发热危害，即在中性线截面的选购中购买足够的余量。

　　      在设计和施工阶段，建议用户采用以下举措抑制谐波对电子装备的干扰。

　　（1）为该类装置规划专用回路供电，尽可能预防干扰沿供电线）为易受干扰设备加装线路滤波器，处理或抑制谐波分量，达到净化电源目的。

　　      电容器串联电抗器后，会结构无源滤波回路；通过调节电抗器的电抗器，它可以滤除不同次数的谐波。

　　      它可以检修大电中的谐波电流，经过剖析后

　　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）使该类装置配线尽可能远离谐波电流畸变严重的线路，以防止空间电磁干扰。

　　      接地是抑制噪音和预防干扰的重要办法，良好的接地步骤可在很大程度上抑制内部噪音的耦合，防范外部干扰的侵入，提高机构的抗干扰能力。变频器的接地步骤有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据详细状况选取，注意不要由于接地不好而对装备产生干扰。

　　      信号线承担着检修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装置的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。

　　      本文分析了发电机电压波形畸变率产生的详细因由，以及如何利用阻尼绕组处置负序磁场，从而提升柴油发电机组的电压输出的品质。讲解了控制发电机电压畸变的方式以及在实际应用中的用途，减小了附加损耗、提升了效率，使柴油发电机组整机性能提升到更优良更能满足用电需求。

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