能源工程国际期刊 2011; 1(1): 12-18 DOI: 10.5923/j.ijee.20110101.03
不健康的供电系统，具有非时空特性谐波鉴定
小东梁1,*, 和. LUY2
1埃德蒙顿产品中心, 斯伦贝谢, 10431 35一大道。, 埃德蒙顿, 阿尔伯塔, T6J 2H1, 加拿大 2研究和EMS, 斯伦贝谢, 42 街圣多米尼克, 巴黎, 75007, 法国
1. 介绍
由于非线性负载的广泛应用, 谐波污染对电力系统的主要问题之一. 尽管巨大的进步已经取得了谐波抑制非线性设备制造商, 工业设施和公用事业公司, 严重的谐波问题仍然存在于电力系统尤其是生病时的条件由公用事业公司或最终用户在工业设施发生过任何导致.
变频驱动器 (变频驱动器) 被最广泛地应用于工业设施. 由IEEE标准定义的特征谐波. 519-1992 基于变频驱动器的不同的系统配置[1]. 除了一些特殊的负载，如电弧炉[1] 和其中产生偶次谐波和其它非特征谐波进入系统铁路牵引系统, 与变频驱动大多数工业设备仅具有特征谐波和一些少量的非特征谐波这通常是根据提出的IEEE标准的偶数和triplen谐波限制. 519-1992. 因此, 当大量的非特征谐波存在于电力系统, 它通常表明，该系统是不健康的，而且疑难排解是必要，以确定问题的根源.
非特征谐波的调查[2-9]. 它是在解释[2] 非特征谐波是由不平衡电压幅度或相位的非对称造成的. 非特征谐波的幅值随电压的非对称性增大.
两个案件进行调查，本文对两个工业设施呈现出非特征谐波含量大. 第一种情况是对采矿的电力系统有两个整流器额定功率为12MW每安装一组谐波滤波器. 广泛的调查进行本系统基于两种测量和计算机模拟结果. 第二个案例是与多个变频驱动油田配电系统. 这个问题对于这个系统是在变频驱动器的输入电流波形严重失真.
2. 特点和整流器的谐波非特征
IEEE标准. 519-1992[1] 建议在桥式整流器产生一个理想的状况谐波电流. “理想”是基于一种假设，即直流电流无脉动和直流电流从一相转移到另一对输入的相位上的电压超过在输出相电压的瞬间[1]. 高次谐波电流成分为理想的条件下由以下公式得出[1]:
哪里,
Ĥ : 谐波次数
k和m : 任何正整数
q : 所述整流电路的脉冲数
我Ĥ: 的顺序h时高次谐波电流的幅值
我1 : 基波电流的振幅
对于6脉冲整流器或可变频率驱动器 (VFD), 特征谐波电流 5, 7, 11, 等. 对于使用相乘法的技术例如12脉冲和18脉冲缓解输入谐波变频驱动, 一些谐波电流可以被取消相比，6脉冲驱动器. 由于在IEEE Std状态 519-1992, 如果m的六脉波整流器部分 [1]:
- 具有相同的变压器变比
- 有变压器的阻抗相同
- 被相位相互错开恰好60 /米度
- 被控制在完全相同的延迟角, 和
- 分享直流负载电流相等
表 1. 基于IEEE标准电压谐波失真限制. 519-1992
| 电压谐波失真限制 | ||
|---|---|---|
| 总线电压在PCC | 各个电压失真, % | 总电压失真, % |
| 69 千伏及以下 | 3.0 | 5.0 |
| 69.001 通过千伏 161 千伏 | 1.5 | 2.5 |
| 161.001 千伏及以上 | 1.0 | 1.5 |
| 注：: 高电压系统最多可以有 2.0% 总谐波失真事件的原因是高压直流输电终端，将通过它挖掘了用户的时间衰减 | ||
表 2. 基于IEEE标准电流谐波失真限制. 519-1992
| 电流谐波失真限制的一般配电系统 (120 V通 69 000 在) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 最大谐波电流畸变的IL百分比 | ||||||
| 个别谐波次数 (奇次谐波) | ||||||
| ISC / IL | <11 | 11<Ĥ<17 | 17<Ĥ<23 | 23<Ĥ<35 | 35<Ĥ | TDD |
| <20* | 4.0 | 2.0 | 1.5 | 0.6 | 0.3 | 5.0 |
| 20<50 | 7.0 | 3.5 | 2.5 | 1.0 | 0.5 | 8.0 |
| 50<100 | 10.0 | 4.5 | 4.0 | 1.5 | 0.7 | 12.0 |
| 100< 1000 | 12.0 | 5.5 | 5.0 | 2.0 | 1.0 | 15.0 |
| >1000 | 15.0 | 7.0 | 6.0 | 2.5 | 1.4 | 20.0 |
| 偶次谐波被限制为 25% 的奇次谐波限值以上. | ||||||
| 这导致一个直流电流的失真抵消, 例如, 半波转换器, 不允许 | ||||||
| *所有发电设备被限制为电流失真的这些值, 而不管实际的短路电流Isc / IL的 | ||||||
| 凡电流Isc =最大短路电流在PCC. IL =最大需量负荷电流 (基频分量) 在PCC | ||||||
那么唯一的谐波存在于驱动器的输入将是KQ±秩序的 1 如公式所示 (1). 例如, 特征谐波为12脉冲变频器系统的两个整流器相移30°的 11,13, 23, 25日,...对于18脉冲变频器系统有三个整流器相由20°最低的特征谐波为转移 17日. 对于24脉冲变频器系统有四个整流器相位tioned在移[1] 没有两个整流部分是相同的，在所有这些方面. 因此, 非特征谐波将总是存在于上述规定在实践中没有得到满足的程度.
IEEE标准. 519-1992 提出建议的谐波失真限制 (表 1 和 2), 被广泛接受的各种行业. 它是在表中指定 2 该偶次谐波被限制为 25% 的奇次谐波限制在表[1].
在一个6脉冲整流器或可变频率驱动器 (VFD), 特征谐波电流 5, 7, 11, 等. 对于使用相乘法的技术，例如12脉冲变频驱动
3. 案 1: 偶次谐波
偶次谐波通常存在于非常少量的，而不能正常工作条件下的电力系统关注. 然而, 可能在某些条件欠佳，如设备故障，产生大量的偶次谐波. 如果系统包含可能激发的偶次谐波谐振谐波滤波器的情况下可以被放大.
案例研究 1 在一个大型采矿设备包括额定功率为12MW每两个大6脉冲整流器解决了严重的偶次谐波问题发生. 系统配置示于图. 1.
图 1. 系统配置案例 1.
该整流器被连接到一个 10 千伏公用总线与数字. 2 和 3 显示谐波滤波器的安装严重扭曲电流wavetwo组. 第一组有一个形式. 在图中所示的谐波含量 4 和 5 5和7single调谐谐波滤波器. 第二组含有大量均匀3harmonic电流. 在有 11 和 13 单调谐谐波滤波器和 17 为了追查这些谐波源, 测量高通谐波滤波器. 两个整流器被连接到上面的两个整流器的输入端被当作. 通过两个7MVA变压器具有30°的波形的两个整流器的电流公用总线分别显示于图. 6 和相移角. 这样的配置构造一个准 7. 相应的电流谐波频谱如图12脉冲整流系统. 供的情况下，在图2的整流器 8 和 9. 在操作过程中有完全相同的负荷, 谐波 18% 取消5于是之 7 谐波电流将被THEBEST. 当两个整流器的负载不相等, 例如, 65% 客座率为一个整流器和 80% 负载谐波电流 % 另一个整流器根本的因素, 最 5,7, 17, 和19har ONIC电流仍然取消和仅少量这些谐波被留在系统中.
在该系统的关键失水蒸发散法检测三月大偶次谐波电流 2004. 大 3路 也发现谐波电流租金. 如此高的偶次谐波引起严重关切，并调查进行，以找出问题的根本原因.
在对次级的25MVA主服务变压器的断路器CB3首次检测到偶次谐波. 在CB3所测量的电流波形示于图. 2. 为了进一步核实, 另一个测量发生在断路器CB6, 喂10KV公用总线, “整流器主总线”. 所测量的电流波形吨CB6如图. 3. 对应的高次谐波电流的频谱在CB3和CB6示于图. 4 和 5, 分别.
图 2. 于可换股债券在二级的25MVA主变压器的电流波形 1 (CT变比为 3000:1).
图 3. 在CB6电流波形, 主馈线的两个整流器 (CT变比为 2000:5).
图. 2 和 3 显示严重扭曲电流波形的形式. 在图中所示的谐波含量 4 和 5 含有大量均匀，3次谐波电流的. 为了跟踪这些谐波源, 测量在两个整流器的输入端采取. 该电流波形的两个整流器都显示在数字. 6 和 7. 对应的电流谐波频谱示于图 8 和 9.
图 4. 在CB3测量谐波电流频谱.
图 5. 在CB6测得的谐波电流频谱.
图 6. 在CB7电流波形在整流器的输入 1 (CT变比为 600:5).
图 7. 在CB8电流波形在整流器的输入 2 (CT变比为 600:5). 
图 8. 在CB7测量整流器谐波电流频谱 1.
图 9. 在CB8测量整流器谐波电流频谱 2.
由于大量的 2, 3和4harmonic电流如图所示. 8 和 9, 在图中的两个整流器的电流波形. 6 和 7 不显示的6脉冲整流器的典型电流波形的形状. 为比较起见主导谐波电流在关键测量点归纳在表 3. 在四月的两个整流器主导测量谐波电流 2002 也包括在同一表.
表 3. 测量谐波电流频谱三月 2004 四月 2002 在该设施的主要位置.
| 谐波次数 | 在基波的百分比高次谐波电流, % | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 三月 2004 | 四月 2002 | ||||
| CB 7 正确 1 | CB8 - 整流器 2 | CB3 - 次要主TX | CB6 - 馈线到整流器 | 正确 1 或 2 | |
| 2 | 16.8 | 34.3 | 7.0 | 12.2 | 6 |
| 3 | 4.8 | 17.2 | 6.9 | 11.7 | 1.8 |
| 4 | 8.1 | 6.9 | 15.4 | 26.9 | 2.3 |
| 5 | 24.8 | 17.1 | 2.1 | 1.8 | 29.1 |
| 6 | 4.1 | 6.0 | 5.3 | 10.9 | 1.0 |
| 7 | 9.1 | 8.7 | 1.0 | 2.1 | 2.3 |
| 8 | 1.8 | 3.7 | 1.5 | 2.5 | 1.4 |
| 9 | 1.8 | 0.9 | 0.5 | 1.2 | 0.5 |
| 10 | 1.4 | 3.4 | 0.3 | 0.4 | 1.1 |
| 11 | 6.5 | 2.8 | 0.1 | 0.5 | 4.9 |
| 12 | 0.8 | 1.1 | 0.1 | 0.2 | 0.1 |
表 3 说明 16.8% 和 34.3% 2由整流器生成的基本的百分比次谐波电流 1 和 2 三月 2004, 分别. “ 4日 谐波电流的存在在量第二大的偶次谐波 8.1% 和 6.9% 根本的整流器 1 和 2. 这两个整流器也产生了较大的 3路 中的量的谐波电流 4.8% 和 17.2% 基本的. “ 3路 谐波电流将分别在下一节的案例讨论 1.
特征和非特征谐波电流均流整流器的上游. 他们首先经历CB6, 两个整流器的主馈线, thendistributed到分配系统的其它部分. 有些特征谐波，如5次谐波电流满足于公共母线, “整流器主母线”, 其中大部分被取消，由于两个变压器的相移. 如表所示 3, “ 5日 谐波电流 24.8% 在整流器 1 和 17.1% 在整流器 2, 大部分的 5日 谐波电流被取消在整流器主母线, 和 5日 只有谐波电流保持 1.8% 在CB6.
按所述非特征谐波, “ 2ND 谐波电流降低到 12.2% 从最初的根本在CB6的 16.8% 和 34.3%, 被还原. 然而, “ 4日 谐波电流增大到 26.9% 从最初的根本 8.1% 和 6.9%. 同样, 放大 4日 谐波电流, 15.4% 基本的, 还发现在CB3. 的扩增的原因 4日 在上游电路的谐波电流是由执行谐波和共振研究调查.
甲共振分析表明，由于两组谐波滤波器的连接, 建立峰值阻抗点分别位于 4日 谐波频率 (240赫兹为60Hz的系统). 由于整流器产生的显著量偶次谐波电流的, 严重的共振和放大发生，并导致大 4日 流系统中的谐波电流. 在该系统的频率响应特性 10 千伏“整流器主总线”如图. 10. 在频率响应特性曲线 10 千伏“主总线”连接到次级25MVA变压器是非常相似的图 10.
图 10 表明由于的连接 5日, 7日, 11日, 和 13日 单调谐谐波滤波器几个是位于240Hz的峰值阻抗点, 360赫兹, 480Hz和720HZ创建. 对于60Hz的系统, 这些频率对应于 4日, 6日, 8日 和 12日 谐波. 阻抗峰值点也被称为谐振点. “ 4日 和 6日 表中的谐波电流 3 在CB6都显著增加, 这是谐波resonance.The的结果 8日 和 12日 表中的谐波电流 3 不要在CB6表现出明显的放大，因为这两个7MVA变压器的整流器分公司电感阻止这些高阶偶次谐波电流会通过向上游系统的一部分.
在整流大器之一，在四月份采取的谐波电流频谱 2002 示出了整流大器的正常工作条件下的谐波含量 (表 3). 可以发现，非特征谐波包括第二, 3路, 4日, 6日等都很小，当时.
的分析表明，这两个整流器产生大量的非特征谐波. 在第4个不扩散核武器特征谐波电流, 6次谐波的频率在系统中扩增由于并联谐振. 这就是为什么一个 26.9% 4日 被检测出谐波电流一吨 10 千伏“整流器主总线”, CB6. 这很可能是在整流器故障引起的非特征谐波问题.
随后整流器的故障排除验证的整流器故障导致此问题. 该故障已得到纠正, 大量的非特征谐波电流从系统消失了.
图 10. 频率响应特性在10KV“整流器主总线”.
4. 案 1: 三次谐波
大量的 3路 谐波中也发现了病例 1 整流器在三月期间发生故障 2004 (表 3). 最坏的情况是在整流器 2 同 17.2% 的 3路 谐波电流. “ 3路 谐波电流也出现在CB上游电路 6 和CB 3.
参考文献[8,9] 作出解释的是市电电压不平衡的条件下，, triplen谐波，如第3和第9次谐波电流可以出现在转换器或整流器. 两个例子是在给定的[9] 使用一个460V 30KVA变频不同的线路电压不平衡条件. “ 3路 在基波的百分比的谐波电流 19.2% 和 83.7% 对应 0.3% 和 3.75% 线电压不平衡, 分别. 供的情况下，没有明显的线电压不平衡, “ 3路 谐波电流 2.1% 对于相同的驱动器[9].
基于相同的原理, “ 3路 在采矿设备的整流器在三月份显示谐波电流 2004 也引起线路电压不平衡. 这三个相 - 相电压在CB 8 对于整流器 2 测定了 6 在三月的每一分钟时间用一个测量点 17 2004. 线电压不平衡计算每个测量点. 不平衡电压的计算方法是基于在所提供的方程[4]. 根据[4] 以百分比表示的电压不平衡是由美国电气制造商协会定义 (NO)
在标准出版物没有. MG 1-1993 如下:
注意，线电压被用在本NEMA标准，相对于相电压. 当相电压使用, 相角不平衡不反映在 % 不平衡，因此相电压很少用于计算电压不平衡[4].
在计算出的线电压不平衡 6 小时向的测量显示在图. 11. 图. 11 表明电压不平衡时整流器 2 之间的测量周期范围 0.4% 和 0.7% 与大部分值下降之间 0.5% 和 0.6%. 计算出的线电压不平衡值解释为什么 3路 谐波电流却高达 17.2% 在整流器 2.
图 11. 计算出的线电压不平衡时CB8, 正确 2 根据测量的三相线到线电压为外壳 1.
5. 案 2: Triplen谐波
案 2 解决了与多个变频驱动器的油田分布系统triplen谐波问题 (VFD) 在操作. 在变频驱动器的输入电流波形严重失真. 根本原因分析，需要找到一个解决这个问题.
至于故障排除的第一步, 测量是在每个变频器的输入. 用于变频驱动器中的一个所测量的电流波形示于图. 12. 变频驱动器等也有类似的电流波形在其输入端. 据发现，这两个隆起是不是在同一数量级的每个半周期中的电流波形.
图 12. 在变频器的输入端测得的电流波形 1.
对应的高次谐波电流的频谱测量的电流波形示于图. 13. 这个电流谐波频谱包含 23% 3路 谐波电流和 13% 9日 在基波的百分比高次谐波电流. 另一方面, 偶次谐波小，都在 1.5%. 因此, 电流波形畸变是由triplen谐波造成的唯一.
图 13. 谐波电流频谱在变频器的输入端 1.
类似第 4, 线电压不平衡的480V低压系统是通过使用测量3相 - 相电压为VFD1计算. 该测量趋势周期不止 5 天. 在测量期间所计算的线电压不平衡如图. 14. 这个数字表明，线电压不平衡值的范围之间 0.2% 和 0.9% 与大部分值下降之间 0.3% 和 0.6%. 从市电电源，例如线电压不平衡在变频驱动的输入端产生triplen谐波，从而进一步导致严重的电流波形畸变在变频器的输入.
因此, 它可以得出结论，外壳的根本原因 2 从市电的电压不平衡.
图 14. 在VFD1输入基于测量三相线到线计算的线电压不平衡电压为案例 2.
6. 结论
非特征谐波甚至包括和triplen谐波本文进行调查. 两个案例都进行.
案 1 与偶次谐波的产生引起的工业设施的设备故障的交易. 偶次谐波, 特别是第四和第六次谐波电流显著由共振，由于在系统中的第五和第七单调谐无源谐波滤波器的存在下扩增的. 案 1 还表明，根本原因的高 3路 谐波电流 (最多 17% 在一个整流器), 是由一个供电线路的电压不平衡.
在谐波电流 % 基本
案 2 呈现在具有多个变频驱动油田配电系统的严重电流波形畸变问题. Triplen谐波电流被发现在变频驱动器的输入端, 但偶次谐波电流看似平常. 系统中的所有驱动器显示类似的情况. 计算出的线电压不平衡在一个变频器的输入端之间的范围 0.2% 和 0.9% 根据测得的三相 - 相电压. 结论案例的根本原因 2 从市电供电线路电压不平衡.
根据本研究调查, 当出现在工业设施显著量的非特征谐波, 它表明的东西可以是严重的错误在系统中. 详细的根本原因分析和故障排除应进行，以找出问题的根源并解决它之前，设备被损坏或人员受伤被.
参考
[1] IEEE StD里 519-1992, “IEEE推荐做法和谐波控制要求在电力系统”, 电气和电子工程师协会, 公司, 国际标准书号 1-55937-239-7, 美国 [2] 瓦茨拉夫在哪里, 兹德涅克Peroutka的, 帕维尔Drabek, “非特征谐波和功率的间谐波电子转换器”, 18日 国际会议和展览配电 (CIRED), 2005, PP. 1-5 [3] 中号. Ĥ. Ĵ. 球, 小号. Cundeva, 小号. Ķ. 罗nnberg, 中号. ·沃尔伯格,0.6 杨凯, 他们两盅, “风电场发光特性和非特征谐波”, 14日 国际电力电子与运动控制会议 (珍珠棉/ PEMC), 2010, PP. S14-22-S14-26
[13] David电子. 饭, “可调速驱动器和电源系统电源整流器谐波，及其影响”, 工业上应用的IEEE交易, 飞行. 1A-22, 1号, 一月/二月 1986, PP. 161-177