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电力系统谐波对金属化膜电容器老化的影响
2010-2-27    点击次数:1187

    目前,电网中谐波干扰大量涌现,谐波问题日趋复杂,因此这方面课题也越来越受到研究者的重视。谐波的产生与近年来非线性设备的大量采用有很大关系,另外广泛应用的传统变压器和铁芯电抗器也会产生谐波。国外经验表明,各种非线性电力设备容量的增长率超过电网的发电设备容量的增长率[1],这一事实说明谐波问题更加突出。谐波的存在会影响整个电网环境,对电力设备以及绝缘造成不利影响。比如,谐波会使电厂设备绝缘老化,从而缩短它们的使用寿命。国内外运行经验表明,受谐波影响而致损坏的电气设备中,电力电容器占有最大比例[1]。现在,金属化膜电容器以其良好的自愈性能在电力系统中得到广泛的应用,因此,有必要了解谐波对金属化膜电容器寿命的影响。本文将介绍电力系统中谐波以及它对金属化膜电容器寿命的影响。

2  谐波的产生

    电力系统中产生谐波的源主要来自各种非线性用电设备,例如:电力电子装置,电弧炉,家用电器,以及变压器和铁芯电抗器等。在电力电子装置大量应用之前,最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流,其次是发电机,而在电力电子设备大量应用之后,后者成为最主要的谐波源[2]。

    在各种电力电子装置中,整流设备所占的比重最大,目前,常用的整流电路大都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路,比如直流侧采用电容滤波的二极管整流电路,这种电路输入电流的基波分量的相位与电源电压相位大体相同,因此基波功率因数接近于1,但其输入电流的谐波分量却很大,给电网造成严重污染,也使得总的功率因数很低。除此之外,逆变器、直流斩波器的应用也较多,这些装置所需的直流电源主要来自整流电路,因而谐波问题也很严重。例如,图1.a所示的整流器其直流侧m、n点电压和交流侧a相电流波形如图1.b[3]?梢钥吹浇涣鞑嗟牡缌魇且欢味蔚奶菪尾ǎ绷鞑嗟牡缪挂埠形撇ǎ馑得髡髌髟诮涣鞑嗪椭绷鞑喽家叽涡巢ā

    变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。加在变压器上的电压通常是正弦电压,因此铁芯中磁通也是按照正弦规律变化的,但是由于铁芯磁化曲线的非线性,产生正弦磁通的励磁电流也只能是非线性的,如图2。图中励磁电流已经变为尖顶波了,进行傅立叶分析可知,其中含有全部奇次谐波,以3次为最大。

    此外,还有许多谐波源,比如电视机、荧光灯、个人计算机等,它们虽然单台功率很小,但其庞大的数量所带来的谐波污染也是十分严重的。

3  谐波对电力设备以及绝缘的损害

    电能质量指标包括频率、电压和波形[3]。交流电的波形是衡量电能质量的一个重要指标,标准交流电的波形应该是正弦波,但是由于电力系统中有谐波源的存在,使电压和电流中都含有一些谐波分量。谐波的存在对电网是一种污染,它使电力设备所处环境变化,也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来损害,其危害主要有以下几个方面:

(1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率。
(2)谐波影响各种电力设备的正常工作,比如,谐波会使电机产生附加损耗、机械振动和过电压;会使变压器局部过热;使电容器、电缆等设备绝缘老化、寿命缩短以至损坏。
(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,加重上述(1)、(2)所带来的危害。
(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,使电气测量仪表不准确。

    由于谐波的存在会对电网造成危害,因此把谐波分量降低到容许的范围内是保证电能质量的一项重要任务。我国对电网谐波电压的限值如表1所示。

4  谐波对金属化膜电容器老化的影响

    金属化膜电容器已大量应用于电力系统中,在很多情况下,比如作为并联成套装置的无功补偿或者作为滤波器消除谐波,它都是在谐波干扰下运行,因此,研究谐波对金属化膜电容器寿命的影响十分重要。

具有谐波分量的试验电压U可由式(1)表示:

U(t)=Um[sin(ωt+ψ)+αsin(hωt)](1)
式中,ψ为基波与谐波的相位差,h为谐波次数,α为谐波的峰值系数(即谐波峰值与基波峰 值的比值)。
谐波的存在会改变电压波形,这不仅取决于谐波次数和谐波的峰值,而且与式(1)中基波与谐波的相位差ψ有关。
谐波会对电力设备绝缘产生加速老化效应,文献[4]在将谐波加于金属化膜的实验中,得到了如表2的金属化膜的寿命数据。
从表2可以看出,当谐波改变电压波形使峰值增大时(3次谐波在ψ=180°、5次谐波在ψ=0°时电压峰值最大),膜寿命会显著减小,可见,电压峰值对金属化膜的寿命有较大影响。

5  谐波影响金属化膜电容器的主要因素

    文献[5]对低压自愈式电容器在室温下进行了老化实验,目的是要找出谐波影响金属化膜电容器寿命的主要因素。实验采用了一个可以线性调至1000Hz电源,分12组进行,每组电压为基波与某次谐波分量的叠加。为了突出谐波的作用,加速老化,选择谐波幅值大于基波幅值(这种情况在电网中也是存在的,比如并联谐振可以将在换流器交流侧的谐波放大几倍)。

    考核电容器的性能,通常以电压均方根值为标准,国际标准规定金属化膜电容器应能在工频1.1倍额定电压下长期运行,因此电压均方根值的大小显然是寿命的影响因素之一。此外im电竞体育也可以从表3中看出电压峰值对寿命的影响,比如:第1组和第3组的电压均方根值相同,但是第1组的电压峰值比第3组的大的多,导致寿命明显减少,第2组和第6组、第7组和第8组都表明电压峰值对加速电容器老化的显著影响。同时也可以从表中看到电压波斜率对寿命的影响,如第1组和第5组,电压均方根值和峰值均相同,但体现电压波斜率的Irms(I=C×dU/dt)不同,也会导致寿命的不同。电压波斜率越大,波形越尖锐,电容器寿命也就越短,同样第3组和第9组的比较也证明了这一点。因此,可以归纳出谐波影响金属化膜电容器寿命的三个因素:电压峰值、电压均方根值和电压波斜率。而且,进一步的研究表明,这三个因素中,电压峰值的影响最大,均方根值的影响次之,而电压波斜率的影响最小[4]。

6结论

(1) 随着非线性电力设备的广泛应用,电力系统中谐波问题日趋严重,谐波的存在会对电力设备造成损坏,加速绝缘老化。
(2) 谐波叠加后的电压峰值对金属化膜电容器老化有很大的影响,研究表明,对于金属化膜电容器,谐波对其寿命的主要影响因素为:电压峰值、电压均方根值和电压波斜率。其中峰值对它寿命的影响最大。



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