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时间:2021-05-14 11:52  编辑:安顺农业银行

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科技信息2011年第13期

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION

低压单相非线性负荷谐波特性

研究的必要性分析

孙洪梅

(石嘴山规划建筑设计院有限公司宁夏石嘴山753000)

【摘要】在理想的供电系统中,电能以单一恒定的工业频率(50Hz或60Hz)与规定幅值的稳定电压供电,对电能质量用频率和电压来衡量。因此各国就用频率和电压的允许偏差值对电能质量进行衡量并做出规定。但仅用这两个指标来表征电能的质量并不完善,波形畸变和三相交流电力系统中三相电压和电流的不平衡也是影响电能质量的重要因素,这两个问题在过去未对电力系统产生严重的影响,因此没有引起电力和用电部门的重视,而随着电力电子技术的飞速发展,非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量存在迅猛增加的趋势。这些非线性设备对电力系统电能质量已造成了严重的影响。另一方面,众多基于计算机、微处理器控制的精密电子和电力电子装置在电力系统大量使用,使得用户中一些电压敏感性负荷对供电质量的要求越来越高,波形畸变所导致的电能质量问题也逐渐引起了人们的关注和重视。

【关键词】建筑电气;谐波;非线性;短路火灾;主动治理;谐波能量;低压配电系统;谐波危害

0引言

在现行的建筑电气设计规范中,对非线性负荷引发的谐波问题没

有充分地考虑,认为流经中性线电流比相线电流小得多,在设计时中

性线截面选择得较小。在大量3次及其倍数次谐波电流流过中性线

时,中性线电流明显增大,甚至会超过相线电流,选择偏小的中性线截

面积将使导线过载过热、损坏其绝缘,甚至会引发短路火灾,为电气火

灾事故埋下巨大的隐患。

1谐波的基本概念及特征量

“谐波”一词来源于声学,在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱

以其基波频率的倍数频率振动。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。当系统中存在各种非线性负荷,或者某些原件随着运行

区域的改变而呈现不可忽视的非线性时,正弦电压施加在非线性电路

上,电流将发生非正弦畸变,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,又使

电压波形也成为非正弦波。同样的,非正弦电压施加在线性电路上,也

产生非正弦电流。对于周期为T=2π/ω的非正弦电压v(ωt),一般可展

开成如下傅里叶级数:

vωωω

t=a

0+

n=1

Σa n cos nωt+b n sin nω

ωω

t

2电力系统中谐波产生的原因及危害

自20世纪20年代,电力系统谐波问题已逐渐引起了人们的注意,比如在德国因使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。到1945年J.C.ReaD发表了有关变流器谐波的论文。到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,变流器引起电力系统谐波问题初见端倪,70年代以来,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。目前,随着非线性设备的大量使用,电力系统谐波问题引起了人们越来越多的关注。这些非线性设备将发电机向电力系统提供的基波功率转化为各次谐波能量,成为“谐波能量”源,被称为电力系统谐波源。作为谐波源,非线性设备可大致划分为如下三类:

①以具有强烈非线性特征的电弧为工作介质的设备,如气体放电灯、交流电弧炉和交流弧焊机等;

②指具有铁磁饱和特性的铁芯设备,如变压器和电抗器等;

③以电力电子元件为基础的开关电源设备,如各种电力电子变流设备(整流器、逆变器、变频器等),相控调速和调压装置,大容量的电力晶闸管可控开关设备等。

在电力系统中,谐波危害问题随着谐波设备越来越广泛的应用而日趋恶化,引起了学术界和供用电部门的密切关注。谐波不仅会消耗系统的无功功率储备,其危害还主要表现在以下几个方面:

2.1谐波引起的热损耗

谐波增加设备的铜耗、铁耗和介质损耗从而加剧设备的热应力。因谐波电流的频率为基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,由于集肤效应(当交变电流流过导线时,导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流,从而使沿导线截面的电流分布不均匀。

2.2谐波对通信系统造成的干扰

谐波对邻近通信线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰,引起通信系统的噪音,降低信号的传输质量,降低语言或图像的清晰度,甚至会破坏信号的正常传递,引起信号的丢失,使系统无法正常工作。在电力线载波通信的系统中,由于谐波的影响,造成系统误动作,甚至无法运行,在谐波和基波的综合作用下,曾有多次触发电话响铃的记载,在极端的情况下甚至将威胁到通信设备和人员的安全。

2.3谐波对住宅和办公建筑中低压电器造成的不良影响

计算机、绘图仪、打印机和很多家用电器、灯具既是小型或微型谐波源,也是受谐波有害影响的电器,谐波会使计算机数据丢失,程序出错,甚至损坏;谐波影响自动控制的家用电器的正常工作,如电视机、收音机、洗衣机等荧光灯的伏安特性是严重非线性的,因此会引起严重的谐波电流,其中3次谐波电流含量最高,同时电网中的谐波又会使日光灯、白炽灯异常发热减少其使用寿命,特别是对白炽灯光源的影响,美国EIS照明手册指出,若谐波引起电压升高5%,则白炽灯寿命降低47%。

3低压单相非线性负荷的使用特性及危害

当今社会,节能是发展的主题,在这种意识的驱动下电力电子技术发展得更加迅速。美国IEEE学会认为,伴随着电力电子技术的飞速发展这一当代最重要的科技进步,已涌现出大量的作为非线性用电负荷的敏感电子器件。其负荷在90年代中后期的美国要上升到1992年的4~5倍。英国同样有学者认为,自60年代以来由于电力电子技术的不断发展,若谐波畸变问题不能得到有效的治理,到80年代末,英国的供电电压畸变率可能高达10%。目前,电力电子设备被大量地应用于人们的生产生活中,CFL、计算机、笔记本电脑、空调、微波炉、电视机、冰箱等非线性设备被大量使用在住宅和办公楼建筑,谐波注入量因此而迅速增加。这些非线性设备与传统大功率谐波源有很大差异。传统的分析方法把各谐波设备看作固定谐波电流源或电压源,在这里具有较大的局限性,这取决于此类小功率谐波源的数量大、分布地域广,且不同设备间谐波相位具有较大的差异,既不能像大功率谐波源那样对其单独补偿,也不能对其进行简单的数值叠加。

低压配电系统单个非线性负荷如节能灯、计算机等接入系统并不会造成严重影响,但由于其数量众多,其总谐波危害不容忽视。低压配电系统中的单相非线性负荷所产生的谐波,除了使电能的生产、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,使用寿命缩短等危害以外,更严重危害之一,非线性负荷的广泛使用将导致大量3次及其倍数次谐波从中性线流过,其电流有效值甚至会超过流经相线的电流有效值。

4结语

目前,电力系统中谐波畸变引发的电能质量问题,逐渐引起了越来越多的专家和学者的关注。其中在低压配电系统中(下转第762页)

○规划与设计○

735

科技信息

SCIENCE &TECHNOLOGY INFORMATION

2011年第13期

(上接第735页)应用越来越广泛的节能灯、计算机、电视机等单相非线性设备,对电力系统造成的谐波危害也日趋严重。对谐波治理的措施主要有三种:①受端治理,即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高它们抗谐波干扰能力;②主动治理,即从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低其产生的谐波;③被动治理,即加设滤波器,阻碍谐波源产生的谐波注入电网,或阻碍电力系统谐波流入负载端。【参考文献】

[1]

戴瑜兴,张义兵,胡庆伟.智能建筑谐波和无功功率的综合治理[J].电工技术杂志,2003(12):31-33.

[2]

王琪辉,刘涛.民用建筑用电中的谐波危害及抑制[J].重庆建筑大学学报,2001,23(2):81-86.

作者简介:孙洪梅,女,汉族,江苏江都人,毕业于西南科技大学自动化专业,获工学学士学位,助理工程师,现主要从事建筑电气设计方面的工作。

[责任编辑:王明朝]

和密闭性。

8)在砌筑砌筑带时,每隔20m 预埋一根φ200mm 的瓦斯抽放管,预抽采空区瓦斯。

9)若沿空留巷往老塘漏风,必须对漏风地点进行糊黄泥、水泥砂浆或喷射混凝土砂浆,确保砌筑墙的密闭性,防止向采空区漏风或采空区瓦斯溢出,造成采空区煤层自燃或沿空巷道内瓦斯聚积事故发生。

10)每班跟班队长排1

~2人查看沿空留巷巷道,发现漏风、棚梁变形的地方时及时处理。

采用砌筑带支护断面图见下图

图3砌筑带支护断面图

3经济效益对比

采用沿空留巷技术可提高煤炭资源回收率,具体表现为节省了留

煤柱护巷方式的煤柱,按沿空掘巷技术留3m 宽煤柱计算,15051上巷沿空掘巷可节省煤炭资源8127吨(3×2.5×1.4×774),按煤价600元/吨算,可盈利487.6万元。

根据方案设计中沿空留巷支护方案的不同,现将沿空留巷的费用列举如下:

表1沿空留巷每米费用

每米节省煤柱:3×2.5×1.4=10.5吨煤,按600元/吨煤×10.5=6300元

由以上两表比较可知,掘进巷道每米的费用为2524元,沿空留巷每米的费用为2040元,沿空留巷比掘进巷道每米节省484元。

沿空留巷费用:2040元/m 掘进巷道费用:2524元/m

由于沿空留巷可回采煤柱,比留煤柱护巷方式(按留设3m 宽煤柱计算)每米多回采原煤10.5吨,按600元/吨价格,每米可多盈利6300元,故采用沿空留巷的在总体经济上优于掘进巷道的费用。

节省煤柱原煤量:3×2.5×1.4×774=8127吨节省煤柱总费用:8127×600=487.6万元。

沿空留巷比掘进节省费用:774×484=37.46万元采用沿空留巷的方式,经济上可增加收入合计为:

487.6万元+37.46万元=525.06万元

如果巷道预留煤柱宽度大于3米,其回收的煤炭资源价值将更高,远远超过这个数目。

表2

掘进巷道每米费用

4总结

4.1我矿目前煤层赋存不稳定,万吨掘进率60m/万吨~90m/万吨,采用沿空留巷技术,解决采掘接替具有一定现实意义。

4.2用沿空留巷的方式,经济上可增加收入52

5.06万元。

4.3沿空留巷省去了工作面的煤柱,大大提高了资源回收率。在煤矿开采过程中,由于多种原因留下许多煤柱而不能采出。煤柱中数量最大的损失就是各类巷道的保护煤柱,尤其是采区中的采、准护巷煤柱。随着开采深度的增加,煤柱宽度将越来越大。为提高回采率,减少资源损失,降低万吨掘进率,缓和采、掘接替关系,因此探讨沿空留巷技术在中厚煤层中的应用具有重要的现实意义。

4.4我矿有一批很优秀的工程技术人员队伍,在以往矿压观测的基础上,进一步搞好沿空留巷的矿压观测,对于下沉量、下沉范围、下沉速度、下沉时间等进行研究。为沿空留巷成功打下了坚实的基础。这也是沿空留巷很成功的关键所在。

4.5沿空留巷技术在我国虽有一定的应用范围,但我介绍后,其它兄弟单位可以作为借鉴,为现代煤矿井下开采开辟一条新路。作者简介:马利伟(1971—),男,汉族,河南新安人,助理工程师,1991年毕业于焦作煤炭工业学校学校,现任新安煤矿掘进二队队长。

[责任编辑:许宪坤]

名称

单价(元)数量(每m 用量)金额(元/m )

混凝土砌块

(规格:150×250×500mm )C20标号混凝土预制

12130块1560

旧道轨可回收复用

1560

80/工

6人

480小计工资合计

2040

名称

单位(元)数量(每米用量)

金额(元/m )

12#矿用工字钢

管子、轨道等

可重复使用

炸药9.8/kg 84卷16.6雷管23060塑料网

76.51.5块114.752

1.851222川杆0.860个48坑木11000.2m 3220风钻杆

430.3个12.960风头钻

280.6个16.8油脂15

0.73kg

11配件

34零星30小计586设备租赁费211修理费89电费438

工资100/工12人1200合计

2524

●○矿业论坛○762

。

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