电源质量治理技术-林学良

林学良低压侧电源污染治理技术一、电源污染及其危害•（一）关于电源质量•人类科学合理的利用电能的前提是：电能的各项指标和参数符合需求，当电能的一个或数个参数发生了变化，电能质量就下降了，就满足不了要求，或称电能被污染了，或称电污染。•电污染是当今世界三大污染（空气、水、光、电）之一，又是清洁能源、节能减排的主要课题之一。•影响电源质量的因素即污染源：谐波、激励震荡、电涌（浪涌）、雷击（闪电）、闪变、集肤效应、磁滞、涡流、电磁辐射、脉冲、尖峰、三相不平衡等。•电污染的产生和来源情况比较复杂，途经很多。有自然的，比如太阳黑子的运动，地球磁场影响，各行星运行轨道之间的相互作用，雷电等。另一类是人类活动产生的，现代社会几乎无处不用电，大量现代化和非线性用电设备的使用，每天无数次的接通和断开各类非线性电器所形成的冲击，使我们的任何一个供电网络都做不到其负载恒定和平衡，都会附带有大量的、不同种类和不同特征的电污染。有上级网产生的电污染对下级网的影响，有下级网产生的电污染对上级网的影响，还有同级别网相互之间的影响，以及我们的生活空间周围大量存在着的电磁辐射等。•（二）电污染的危害•传导式电污染的本质特征分两大类：一是连续（或断续）宽频谱的，二是瞬变（或突变）的。不管是那种特征形式，都是寄生、附载或叠加在我们的电源信号、控制信号和通信信号中，即电能中总是包含有一定杂质的。人们对电能的需求是纯净的那一部分，而杂质（电污染）是有害的，是需要清除出去的，否则就会造成系统中的线损、铁损、铜损、发热、耗能、跳闸、误动作、氧化、接地高阻抗、毁器件、线路板子及设备等；也是因电路电器引起的消防安全等各类事故频发的重大隐患。因此有效治理电污染，使用电终端减少维护成本、保护设备提高经济效益的需要，更是消除事故隐患保障用电安全的必要措施。二、电污染治理技术（一）、现有技术的局限性•现有治理电污染的办法无非就是滤波、旁路、抵消、补偿、缓冲、延迟、分离、衰减、稳压、稳流、变频、变压、变流、机械降温等。有史以来改善电能质量的各种措施的实现目的都是相对单一的，头疼医头，脚疼医脚，并且治理的还不彻底，或者治标不治本。用一种传统的技术或装置来统筹解决和涵盖所有或绝大部分电污染问题是做不到的，而且还会有副作用。（二）治理电污染的新技术1、等效方法：分离、吸收、校正、回馈。2、步骤：•A、同步分离：除工频信号（45-65Hz）外，其他信号都不是用电设备所需要的（都视为电污染），同时用电设备所产生的电污染也被吸收到分离单元。•B、吸收电污染至矫正系统，绝不让其入地。•C、工频与电污染的频率不同，其电力线和磁力线的方向也不同，将其按工频方向矫正。•D、将矫正过来等于工频的能量回馈（节电部分）。•关键词：电位，交流电位。阻抗，视入阻抗。•3、接地问题现行的许多谐波过滤系统和浪涌保护器是采用不良电源旁路到中性线的方法以达到在干扰电源损害设备之前就已经进入地线，这种理念误导了我们几十年。但由于大地是有阻抗的，尤其对于宽频谱的高次谐波，通常的滤波装置把它们集中到入地口，因为分布参数和视入阻抗的原因其根本就入不了地，因此形成了入地口的堆积，形成了驻波，其结果就是到处乱窜，这就是许多莫名其妙电子、电器和电气事故的真正原因，这就使得冲击脉冲或者谐波进入中性线后（负序和零序谐波）仍会损坏你认为已经得到保护的设备。•事实上“安全接地”只是对工频而言的，大地总是有电阻的，大地对频率高一点的电污染呈现的是高阻抗，宽频谱和高频率的电污染在入地点的积蓄势必造成电污染的随机叠加和导体窜扰，于是就造成大量莫明其妙的电气事故等。•由于电机等负载设备的电感特性，使其每次的接入和断开都形成一个浪涌。大量变频和整流的使用又使系统中产生频谱非常宽的谐波（特征谐波和间谐波），三相不平衡会使系统中除正序谐波数量增加以外，并使系统中负序和零序谐波分量极大的增加。因此，无论是上级网夹带来的，还是用电设备自身产生的电污染，都是极大地降低了电子设备的效率，增加了能耗，提高了故障率，破坏了用电环境，影响了生产、生活和安全。4、设计原理：•已知，电路系统中的总电压畸变率：设：电污染的成分可能有无数个，φ是某一个电污染成分某一时刻t已经偏离工频的角度，N是磁性体的参数，则••这一部分要表达的正好就是电路中的总电压畸变率（所有偏离标准方向的成分）。所以，只要我们按照这样的思路去设计一个相应的装置，做到•则，系统中的总电压畸变（总电污染）将被吸收干净。•美国EP装置就基本实现了这一理念。100%/Dv12nVVdt/dφNdt/dφN%100V/V12n（一）EP公司E是英语词汇Environmental（环境），P是英语词汇Potentials（潜能），即美国环境潜能股份有限公司。美国EP公司是专业从事能源环保高科技产品研究和制造厂商。其主要开发制造部门位于美国犹他州的盐湖城。该公司集在研究消除电磁干扰、保障电能质量方面50多年的经验，尤其在解决目前世界上尚不能彻底解决的瞬时电源畸变和连续（间断）宽频谱干扰等现象，如各种频段的谐波、电涌、脉冲、瞬变、系统冲击等这种被统称电污染这一世界难题方面，于1999年成功开发了当今世界领先的高科技成果—EP系列装置，且由美国能源部正式向中国政府进行了推荐，于2002年进入中国市场。三、美国EP装置（二）EP装置的适用范围凡是有电的地方就有电污染，只不过电污染的程度有强有弱，对其是否需要治理有其意义和成本的考量。EP是当今世界能完善和彻底解决电污染问题的最有效装置，它突破和颠覆了许多的传统思维，它需要我们换个角度去认识、去学习、去实践、去用好它。多年来，从事电气、电子行业的领导和专家们，凡用过EP的，都为其科学和神奇的效果赞叹不已，爱不释手。其本质，就是EP装置对系统的稳定运行和生产安全的保障方面已经做出了卓越的贡献。（三）EP装置在国内经过多年的实践，EP装置已经在中石化的天津石化、齐鲁石化、济南石化、九江石化、安庆石化、石家庄石化、西气东输工程以及一些油田、炼油厂、和化工厂等单位使用，其效果可以用“惊人的好”来形容。国内其他行业，比如钢铁冶金行业、矿山、石油、烟草、电信、移动、铁道、地铁、医院、公安、军工、银行、保险、航天、兵器、核工业等，都分别以下文推荐、科研课题、节能减排项目、技改、设备改造以及新建项目等得以广泛应用。目前我们要做的就是加深EP知识的理解和普及，加大其推广力度，使其更好地为我国建设服务。（四）EP装置的工作原理•下图是一个基本的EP单元：•1、在与相线相连接的同一电位点上，能检测到瞬时的电压升高，并在其上升到超过电源峰值的10%时（或大于有效值的倍)将其箝位、吸收。•2、当出现瞬时高压时，有效地减缓或延迟上升时间，使其过渡到箝位电平的过程是平滑的，从而保证下一个瞬时高压的箝位处理不至于发生类似于欠阻尼振荡的情况。•3、对于频率高于工频的各次谐波，因其电压上升速率也都偏高，因此也都在对其减缓和延迟上升时间之列，要有足够好的充通效果，采用分组并单调连续的思路，衰减量从－6db到－40db对各类谐波进行处理，并不让其发生欠阻尼振荡。•4、除独立的保护地线外，其•所有外接线的吸收功能都是•双向的。•5、归纳起来，就是对工频•呈现高阻抗，对高频呈现低•阻抗。2•要实现以上功能，各部位和元件的作用就非常重要。图中：•1、编号2是一个具有感抗性质的软磁性材料的同轴非晶态环形器件，对瞬时高电压起减缓和延伸的作用。•2、编号3是一个非线性电阻器，一方面，当不出现瞬时高压时，其阻抗接近于无穷大，当箝位限隔的瞬间，其阻抗非常小。另一方面，对瞬时高压判断的依据，不是电压幅度有多高，而是在电压趋向于上升时，当通过器件的电流也上升，并且电流的上升速率比电压大时，即电源线阻抗分压大时，器件的非线性就体现出来。•3、编号4是一个具有容抗性质的器件，在非线性电阻器开关转换的瞬间，其端电压不能突变，给瞬间大电流提供一条通路，被充电后的电能提供给低通网络转换成磁能。•4、编号5是一个感抗性质的毫微结晶磁芯材料的器件，其材料具有非常高的初始磁导率，损耗极低，同时具有非常高的磁通量饱和密度，使其非常容易被磁化并能在非常宽的磁通量渗透范围内保持磁化，剩磁及矫顽性接近于零，即对频率及电流的响应必须是线性的，以弥补容抗器件只对电流的响应呈线性而对频率响应的非线性。将容抗器件的电能转换成磁能后，经编号6、7吸收处理。所以编号4、5、6、7又组成一个临界阻尼的低通网络，以保证其他谐波能得到充分处理。（五）EP装置的显著特点1、EP装置1999年研发成功，2002年由美国能源部推荐到我国，如今已在国内很多领域得到应用，效果极佳。目前还没有完全同类的产品。2、EP装置是目前世界上独一无二的，它完善地做到了清除、保护和节能之系统解决方案。3、它不是传统意义上的旁路、滤波电污染，也不是抵消，而是吸收，即绝不让任何电污染入地。其同时刻吸收连续或非连续谐波范围可高达上万次，单模块吸收热量达60万焦耳，平均衰减超过-25dB。4、由于对电污染有吸收和纠正作用，因此有一定的节电效果。是实实在在的节电，所节省的这部分电能是其它产品和技术望尘莫及的，通常其节电率能达到5%--15%。对纠正不过来的极少部分能量作散热处理而绝不回馈入地。5、EP装置是无源的，不耗电，自身不是污染源。不但对系统不会造成任何影响，还切实对与其相接的设备和系统起到保护作用。既可集中治理，也可分散治理，即“谁有病谁吃药”。6、EP装置不仅根据连续的频谱跟踪原理来吸收谐波等干扰，还特别对以高di/dt、dv/dt、d∮/dt为特征的电能瞬变的克服效果显著。所以不仅吸收特征谐波，各种非特征谐波（间谐波）、电涌、闪变、尖峰、振荡、磁滞、涡流、畸变、辐射、集肤效应等其它用同一装置或同一设备无能为力的，都能很彻底的抑制和吸收，即像割韭菜，剃光头。7、就用电质量来讲，高次谐波的影响是不能忽视的，有些高次谐波的危害远大于个别低次谐波，比如集肤效应、涡流引起的发热、耗能增加，射频干扰引起的莫名其妙跳闸、继电器或电磁接触器误动作、各类接触点高度氧化，大地对高次谐波所呈现的高阻抗等。所以EP装置是目前唯一能全面和彻底克服电路中的铁损、铜损、线损、磁滞、集肤效应、涡流甚至谐振等现象的装置，它使被保护的其它设备的寿命延长100%以上，工作温度下降5--40℃。8、EP装置使电路中的谐波无功功率不复存在，有效地改善了电路的无功状态。•9、EP装置抑制瞬时尖峰和浪涌的能力依不同的型号单模块可高达二万伏，对瞬时冲击电流的吸收能力单模块可达80kA，最大单机可达640kA，用模块叠加和多机并联的方式这些数据还可以做到随时刷新。其响应时间大约为一纳秒(十亿分之一秒)，即任何瞬变还来不及上升就被很快抹平了，比一般避雷装置的响应时间都短的多（当今先进的一般都大于二十五纳秒），并且保证了系统不需要用停电来保护。•10、EP装置既可单模块安装，也可多模块组合，所以可以满足不同的负载容量和吸收不同热量的要求。•11、EP装置的制造加工采用先进的纳米技术，其体积小、重量轻、内部为非晶态磁体合成材料、安装极为简便，工作寿命无限，免维护，投资一劳永逸。12、EP装置依不同的工作电压、负载接法、谐波含量有较严谨的技术设计和型号选择方案，用户应尽可能按设计方案选型。EP装置目前成熟产品的适应工作电压范围是交流1000V以内，其他特殊情况需要特别定制。13、EP装置有星型接法（现场零地不合一，即五线制）和角型接法（现场零地合一，即四线制），两种接法不宜混淆，以保证除吸收正序谐波外，无论是零序或负序谐波的充分和彻底的吸收。14、EP装置的显著效果与其在线工作时间有关，时间越长，效果越彻底。15、EP装置的回报率不能仅从节电率来考虑，系统有了洁净的电能并工作稳定了，安全了，系统维护及检修成本降低了，就是最大的节约能源。16、装置安全性已通过UL、CSA认证，并符合NEMALS—1、NEC、SAFETYRATINGS及IEC516公告，并于2003年荣获美国政府最高成就奖。目