顾伯勤
摘要：智能芯片节电保护器不同于传统的节电保护方式，它是以全新的理念，配以软件设计，采用美国硅谷技术和多项专利元件组成的当代最先进的节电保护产品。并有智能瞬流跟踪技术、智能瞬流抑制技术，它能消除、抑制浪涌、谐波、瞬流，并将无功转换成有用功，达到既节电又起到保护设备的目的。
关键词：浪涌；谐波；瞬流；节电；保护
中图分类号：TP18；TM761文献标识码：A文章编号：1004一7948(2005)10一0017一04
1传统节电产品的思路
大连市曾在上世纪80年代经历过电荒，拉闸限电时有发生，广大电业工作者创造出许多节电的好经验，如：交流接触器无声运行；推广S7系列节能变压器；Y系列电动机替代10系列电动机；电动机轻载采用△—Y转换。90年代后风机、水泵采用可控硅变频调速，功率因数自动补偿等。
这些传统的节电技术的总体思路是针对电气设备在交流电路中电磁转换要消耗能量，从机电产品设计着手，减少磁路损失，利用高性能硅钢片，采用磁性槽泥，减少气隙；在电气设备运行中，杜绝电动机轻载运行，大马拉小车，提高用电设备的出力，改善功率因数。
提高功率因数势必要用电容器，因为电气设备在交流电路中是感性阻抗，其电流落后电压方向，要使电流方向和电压方向的夹角减少，那么就要在电路中加装电容器。由于电容器的安装，交流电路就发生了改变，随之谐振、瞬流、浪涌就产生了。但是传统的节电技术很少考虑到谐振、瞬流、浪涌对电气线路的危害。
2智能芯片节电保护器的理念
2.1探究谐波源的产生
企业供用电系统中存在着各种各样引起高谐波电流的因素，如电弧炼钢、电焊机、变压器等的激磁电流以及可控硅装置，电气化机车等。凡是电压与电流关系是非线性的元件均为谐波电流源。
非线性负荷，无论基波的流向如何，其谐波电流（一相或多相）由负荷电流向电力系统的称为谐波电流。当电网中除了50Hz的正弦波（亦称基波）外，还出现其他频率较高的正弦波（亦称高次谐波）时这些高次谐波叠加在基波上，使基波发生波形畸变。也就是说，当电网中电压或电流的波形除了50Hz的基波外，还存在一个频率为250Hz的5次谐波。至于波形是否为正弦波，在谐波上叠加了哪些高次谐波，需要用数学分析或用谐波分析仪实测才能知道。
企业应用大型可控硅整流装置，相当于在电力系统内装设了高次谐波电流源。谐波成分的组成及其幅值，与整流器的接线、控制角α、重叠角γ和负荷的特性等因素有关。当整流变压器为Y/Y一12接线时是一个近似的梯形波，成为一个谐波源。
在假设一些理想的条件下，如三相交流系统完全对称，整流器所带的直流滤波电抗器的感抗为∞，整流相控制角α相等时，整流变压器一次侧电流用傅氏级数分析得知。它包含有高次谐波的次数为
n=KP士1
式中K一正整数1、2、3……。P一交流电路的脉冲数，对三相桥式交流电路P=6。
在三相全控桥式6脉冲整流器的电流中会产生5、7、11、13、17、19、23、25……次高次谐波，而12脉冲整流器电流中会产生11、13、23、25……次高次谐波，可见12脉冲整流器比6脉冲整流器产生的谐波要少，即脉冲数越高、产生的谐波越少。
谐波电流的大小，在变压器一次电流为梯形波的理想条件下，其谐波电流的有效值为：
In=I1/n
式中I1一基波电流的有效值，A；
n一谐波次数。
由于在整流变压器中产生了高次谐波电流，不可避免地在供电企业变压器的电网中引起了正弦电压波形的畸变，产生谐波电压。电压波形总的畸变率τ为：
式中U1一基波电压；
Un—第n次谐波电压的均方根值。
2.2研究高次谐波对电气设备的危害性
电力系统中某个谐波源所产生的高次谐波，不局限于一个企业或一条线路，而要普遍使与母线相联的所有线路上的发、供、用电设备电压和电流波形发生畸变，导致电能质量变坏，成为电网中的一种公害。其危害主要有以下几个方面：
(1)使发电机、电动机、电抗器及移相电力电容器产生附加损耗而发热。谐波电流通过同步电机定子时，使定子绕组发热而降低电机出力，对转子也引起额外的功率损失。对异步电机，使励磁电流增大，功率损失增加。如果移相电力电容器配置不当时，会引起谐波放大或谐波谐振。
(2)谐波电流的存在使感应式电气测量仪表指示不准，影响工作精度和可靠性。
(3)对音频电话及通信产生噪声干扰，严重影响通话或通话质量。干扰程度与谐波分量成正比，尤以16～21次谐波分量（即800～1050Hz）的干扰作用最强。
(4)对电子控制、音频控制、继电保护等系统造成误触发、误动作等现象。
3认识浪涌和尖峰脉冲及其危害
电容器在投入系统的过程中，主要现象是产生浪涌，其特点是高幅值、高频率。标准规定，投入过渡过程中冲入电流的第一个波的峰值可达100Ic(Ic为电容器的额定电流)，频率则高达数千周。尖峰或电压闪变是指小于电网半周期时间内正弦波的窄脉冲。
3.1造成浪涌、电压尖峰脉冲的原因
(1)内部过电压。如补偿电容的投入和切除，短路故障的发生，大型开关的开合和邻居大型负载的启停等；
(2)雷电。一般而言，内部过电压引起的事故是雷击的4倍。其特征包括三方面：最高10kV的超高压；数亿分之一秒的超高速；超高频次。
3.2电压尖峰脉冲和涌浪的危害
(1)雷击造成掉闸，严重影响生产。
(2)增加附加损耗，降低发电、输电效率及设备使用率。
(3)增加设备老化，缩短使用寿命。
(4)电器设备不正常，计算机误码，即计算不准确。
(5)增加电量，增加开支。
(6)增加电网的谐振，造成瞬态高电压，高电流。
4回顾并联电容器补偿装置的配套设备—串联电抗器的作用
为了解决当前电网无功功率的不足，安装的并联电容器组的容量日益增多，其有关保护问题已越来越受到重视。开始采用串联电抗器与并联补偿电容器配套使用，便是在并联电容器保护方面的重要措施之一。
4.1串联电杭器的作用
(1)抑制高次谐波
电力系统中，经常有可能产生各种高次谐波，如发电机槽谐波，送电线路的电晕及各种电弧炉，可控硅整流装置，磁饱和回路等产生的高次谐波，都属于连续性高次谐波。此外，还有暂态性的高次谐波，如空载变压器投入时励磁冲击电流等。由于电容器呈现容抗（其容抗Xc=1/Cω与频率成正比），对高次谐波呈现抵阻抗，从而产生所谓的谐波电流。这种谐波电流将给系统带来一系列不良影响，如电源发电机过热、过载，感应电动机产生反向转矩等。此外，如谐波一旦发生谐振，将产生较高的谐波电压，而影响系统里所有设备的安全运行。由于电力系统里的电压波形是对称的谐波，谐波分量无偶次谐波，又由于一般变压器里都有三角形接线的线圈，3、6、9……3n(n为正整数）次谐波都被短路。所以，我们抑制高次谐波的主要对象是5次谐波。但在有些情况下，如变压器投入、电弧炉运行则会产生谐波分量较大的3次谐波。采用电抗器与并联电容器串联，可有效地抑制高次谐波。
(2)限制涌流
尽管电容器本身耐受涌流的能力较强，但涌流还会给系统中其它设备带来一系列危害。如超过开关的动稳定电流会将其损坏；过高的di/dt在互感器上会感应出很高的过电压，将其匝间绝缘击穿，使熔断器熔体老化，造成其误动作。
(3)限制并联电容器补偿装置的短路电流
目前电力系统的容量越来越大，如果一味提高开关的遮断容量，必然大大增加开关造价。用电抗器来限制装置的短路电流，是一个积极经济的方法。
(4)限制电容器内部故障电流
电容器内部发生的故障电流，一般变化率很大，如果采用空芯电抗器，就可以大大降低故障电流。它既可以减少电容器外壳爆破的百分率，又可以降低对熔断器的限流能力的要求。
电抗器有空芯电抗器和铁芯电抗器两种。空芯电抗器不存在饱和问题，且限流能力强，但体积较大。铁芯电抗器体积很小，适用于户外。
4.2串联电杭器的应用场合
下列情况的并联电容器补偿装置可考虑安装串联电抗器。
(1)装设于一次变电所容量较大的并联电容器组；
(2)变电所装有两组或两组以上，并需进行分组投切的并联电容器组；
(3)变电所中的电容器组发现有谐振现象，或因谐波引起的电容器过负荷；
(4)短路容量较大的变电所采用三角形接线时。
5消除瞬流、涌流和谐波对电源质量的危害
5.1变压器
对变压器而言，瞬流和谐波电流可导致铜损和杂散损增加，瞬流或谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压比较，谐波对变压器的整体影响是温度升高。须注意的是这些谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成正比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。
5.2电力电缆
在导体中非正弦波电流所产生的热量与具有相同均方根值纯正弦波电流相比较，则非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应引起的，而这种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致12Rac损耗增加。
5.3电动机与发电机
谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起的额外温升，这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较为敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量，例如人造纤维纺织业和一些金属加工业。对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加磁场变形和噪音量。像5次和7次这种谐波源在发电机或电动机负载系统上，可产生6次谐波频率的机械振动。机械振动是由振动的扭矩引起的，而扭矩的震动则由谐波电流和基波频率磁场所造成，如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。
5.4电子设备
电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常需靠电压波形的过零或其它电压波形取得同步运行，电压谐波畸变可导致电压过零漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电路控制是至关重要的。控制系统对这两点（电压过零点与电压位置点）的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性与容性藕合亦可能对通讯设备产生干扰。计算器和一些其它设备，如可编程序控制器（PLC），通常要求总谐波电压畸变（THD）小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。
5.5开关和继电保护
像其它设备一样，谐波电流也会引起开关的额外损失，并提高温升，使基波电流承载能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低使用寿命。旧式低压短路器的固态跳脱装置系根据电流峰值来动作，而这种型式的跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。新型跳脱装置则根据电流的有效值（RMS)而动作。
5.6功率因数补偿电容器
电容器与其它设备比较有很大区别，因其容性特点在系统共振情况下可显著地改变系统阻抗。电容器组之容抗随频率升高而降低。因此，电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，此作用提高温升并增加绝缘材料介质应力。频繁地切换非线性电磁组件会产生谐波电流，这些谐波电流将增加电容器的负担。应当注意的是熔丝通常不是用来当作电容器之过载保护。由谐波引起的发电和电压增加意味着电容器使用寿命的缩短。
在电力系统中使用电容器组时，必须考虑的因素是系统产生谐振的可能性。系统谐振将导致谐波电压和电流会明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。
6结束语
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用电设备的内部损耗（涡流损耗、机械损耗、电磁转换损耗）也包括谐波、脉冲、瞬流等失真电能白损耗，安装节电保护器能最大限度地降低这些损耗并且能把无功功率转换成有功功率供设备使用。
外部电源的污染、内部变频器、可控硅等产品的使用，产生了大量的谐波，污染了整个用电系统，导致缩短电机使用寿命，增加设备维修费用，甚至使用电设备不能稳定运行，增加了产品的残次率。
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