低壓斷路器檢測用諧波源的分析

謝迪，王振龍

(中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧　沈陽　110141)

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低壓斷路器檢測用諧波源的分析

謝迪，王振龍

(中認(沈陽)北方實驗室有限公司，遼寧沈陽110141)

為滿足低壓斷路器諧波抗擾度試驗的要求，根據低壓斷路器檢測用諧波源的設計要求，通過對標準的分析以及理論計算得出相關參數。并通過示波器對實際輸出波形進行采集與分析，證明所設計的諧波源的各項指標均滿足試驗的標準要求，為諧波源的實現提供了理論基礎和事實依據。

低壓斷路器；諧波抗擾度試驗；諧波源

1　引言

低壓電器及控制設備隨著科技的發展逐漸智能化，相較于老式的機械儲能低壓電器，新生一代的產品具有監控精確、保護動作靈敏、自動恢復等諸多優點。在這種產品的技術不斷發展過程中，逐漸引入了采樣控制電路，因此受到諧波干擾的問題隨之而來。加之其廣泛應用于許多重工業高風險的生產過程中，并且在電力系統中作為保護和控制的關鍵部件，其保護特性若受電網諧波的影響，會導致電力系統保護誤動作，造成嚴重后果。因此，研究電網諧波對斷路器動作特性的影響，對于保證電力系統安全運行具有重要的理論意義和實用價值。為此，低壓電器GB14048.2標準中，對低壓斷路器的諧波抗干擾水平進行了嚴格的要求。本文通過對標準中對試驗用諧波源的要求進行分析與理論計算，實現符合標準要求的測試諧波源。

2　諧波的產生

從嚴格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。從廣義上講，由于交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時“諧波”這個詞的意義已經變得與原意有些不符。正是因為廣義的諧波概念，才有了“分數諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說法。

在理想的干凈供電系統中，電流和電壓都是正弦波。在只含線性元件(如：電阻)的簡單電路中，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。諧波產生的原因主要有：由于正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發生畸變產生諧波。主要非線性負載有UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等。斷路器主要受到的諧波干擾主要來自于電力系統、在電力系統中，諧波產生的根本原因是由于使用非線性負載。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。由于半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性，電力系統的某些設備如功率轉換器會呈現比較大的背離正弦曲線波形。

3　諧波的危害

理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的其他設備產生干擾。諧波的危害十分嚴重。諧波會導致電能的生產、傳輸和利用等環節的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，縮短其使用壽命，甚至發生故障或燒毀。諧波還可以引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。

在斷路器的使用過程中，諧波會對其產生很大影響。諧波會使某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，致使斷路器的遮斷能力降低，無法遮斷波形畸變率超過一定限值的故障電流。在中壓斷路器截斷電感電流時，可能發生諧頻涌波電壓和重燃現象，導致斷路器觸頭燒損。因此，在GB14048.2標準中對于斷路器的抗諧波能力有嚴格要求。標準規定諧波抗擾度試驗電流波形，應由下列兩種方案之一組成：

(1)方案①：依次采用兩種波形：①由基波和3次諧波構成的波形，且波形應滿足：72%基波分量≤3次諧波≤88%基波分量，峰值系數為2.0±0.2；②由基波和5次諧波構成的波形，且波形應滿足45%基波分量≤5次諧波≤55%基波分量，峰值系數為1.9±0.2。

(2)方案②：由基波和3次、5次、7次諧波分量組成的波形。對每個周期，試驗電流由兩個大小相等且極性相反的半波構成：對每半波電流，導通時間≤21%周期；峰值系數≥2.1；3次諧波>60%基波分量；5次諧波>14%基波分量；7次諧波>7%基波分量。

驗證誤脫扣抗擾度試驗(0.9倍電流整定值)的持續時間應為相應2倍電流整定值的脫扣時間的10倍。

4　實現方法

根據標準中的要求，本文對方案②波形進行研究并實現。根據標準的要求分析得到，如此要求其目的就是降低均方根值，以得到較高得峰值系數。峰值系數為電流峰值與均方根值(也就是有效值)之比，當電阻值一定且為純阻性的時候，可等效為電壓的峰值系數。

以標準正弦波為例，電壓：220V，頻率：50Hz。

圖1　標準正弦波形

(1)

當使用組合波時，如果3、5、7次諧波導通相位均為0，由于大多數設備所能提供的諧波分量最高只能到基波的50%，為了能夠達到標準中的3次諧波相對含量達到基波的60%、5次諧波相對含量達到基波的14%、7次諧波相對含量達到基波的7%，因此只能降低基波的發射含量，將設備的基波降到原有的80%，這樣諧波的相對含量就可達到標準中的要求。這里取3次諧波為50%，換算到標準要求為62.5%﹥60%，滿足要求；取5次諧波15%，換算到標準要求為18.75%﹥14%，滿足要求；取7次諧波10%，換算到標準要求為12.5%﹥7%，滿足要求。波形及諧波如圖2、圖3所示。

圖2　3、5、7次諧波導通相位為0時理論波形

圖3　3、5、7次諧波導通相位為0時諧波

為驗證波形輸出有效，由示波器鎖定輸出圖像，如圖4所示。

圖4　3、5、7次諧波導通相位為0時實際輸出波形

經過計算，此時峰值系數為1.45，不符合要求。為此改變諧波導通相角，將3、7次諧波相角由0變為180，5次諧波不變，如圖5、圖6所示。

圖5　3、7次諧波導通相角為180時理論波形

圖6　3、7次諧波導通相角為180時諧波

經過計算，此時峰值系數為2.2，諧波幅值分量比不變，完全符合要求。由示波器鎖定輸出圖像，如圖7所示。

圖7　3、7次諧波導通相角為180時實際輸出波形波形

5　結語

為滿足GB 14048.2-2008《低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器》中對低壓斷路器諧波抗擾度試驗的要求，經過對標準的分析及理論計算，得出相關參數。并通過示波器對實際輸出波形進行采集分析，證明所設計的諧波源的各項指標均滿足標準要求，為低壓斷路器諧波測試的有效進行提供了理論基礎和事實依據。

[1]GB 14048.2-2008低壓開關設備和控制設備第2部分：斷路器[S].

[2]翟國富，劉維揚，許峰，等.電網諧波對斷路器動作特性影響的研究[J].哈爾濱工業大學學報，2002,34(2).

[3]滕成龍，丁志東，蔣嗚，等.低壓斷路器檢測用諧波源的建模和仿真術[J].低壓電器,2013(15).

Analysis of Harmonic Source for Low Voltage Circuit Breaker Test

XIEDi,WANGZhen-long

(CQC North Laboratory，Liaoning Shenyang 110141)

In order to satisfy the requirements of low-voltage circuit breaker harmonic immunity test,the parameters were calculated by analyzing the standard and theoretical calculationaccording to the design requirements of harmonic source for low-voltage circuit breaker test.The results of collection and analysis of the actual output waveform by using oscilloscope is provided that the designed harmonic source meet the test requirements of the related standard.And the theoretical and factual basisof how to realize theharmonic sourceis also provided.

low-voltage circuit breakers;harmonic immunity test;harmonic source

1004-289X(2016)02-0073-03

TM56

B

2015-03-11

謝迪(1981-),女,研究生學歷,碩士學位 工程師,主要從事機電產品的安全與電磁兼容檢測研究。