浪涌冲击和谐振及防范措施

浪涌冲击和谐振及防范措施

概述

电容器可用于改善交流系统的功率因数，但同时也会产生负作用。在一些情况下，使用电容器是产生负作用的主要原因；在另一些情况下，电容器又会受负作用的危害。不管在那一类情况，电气工程师都应了解系统的状况，采取必要的措施，防止浪涌冲击和谐振造成的危害。目前，随着斩波直流设备，尤其是SCR 驱动设备越来越广泛的应用，这两方面的危害日趋严重。

浪涌冲击的产生

浪涌冲击（瞬态脉冲尖峰）问题的出现，可以追溯到本世纪三十年代，当时它是由医疗用X射线机而引发。到了四十年代，由大型电弧焊机和冶炼炉引发的电压闪变引起了工程师的广泛注意。

浪涌冲击在近年来变得更为严重，随着斩波型开关电源设备（如计算机及UPS等）和大型整流电源设备的广泛使用，浪涌冲击和谐波畸变变得更为普遍。即使没有电容器，线路中的干扰事件也会经常发生，由此引发的设备误动作、电压畸变、过电流及不平衡电流等现象经常发生。

另外，电力系统中开关的分合、熔断器的动作、设备绝缘击穿、大容量设备的投切启动及其它故障等，都会引发浪涌冲击脉冲干扰。

浪涌冲击的危害在谐振发生时将会更严重。在脉冲的一系列频谱中，当线路电感量和电容量接近时，便有可能引发谐振，导致谐波在系统的局部地区放大。谐振不仅会随着瞬间干扰产生高电压和过电流，使事态恶化，也会在基频系统中叠加谐振电流，引起设备和绝缘过热，甚至烧毁损坏。

整流设备对电网运行的影响

近年来，整流系统的应用日趋广泛，已成为浪涌冲击和谐振的主要原因，如商业大厦中的电梯变频调速驱动系统，不间断电源供电系统（UPS）等。同时，整流触发电路（Rectifier Firing Circuit）也会引发浪涌冲击和谐振问题。

整流设备不仅导致波形畸变，也常令功率因数下降，因此需要安装补偿电容器以改善功率因数,但是电容器又容易引发谐振问题,在轻载时必须切除。

在整流器电路分析中有三个因素应受到注意：

第一.电路中开关分合引发的瞬间浪涌干扰。整流器和逆变器是一系列复杂的固态开关电路，它们首先从交流电源电路的一相中吸取电流，然后又转到下一相，不断循环，依次给同一输出导线供电（直流输出）。当电流由一相导线转换到另一相时，两相导线基本处于短路状态，虽然短路状态仅持续零点几毫秒，却造成尖峰和缺口脉冲浪涌干扰，如图-1，

由一套可控硅装置

给一台400马力直流电

动机供电时造成的线路

电压瞬间干扰（脉冲尖

峰），该系统从一台

2000K V A的配电变压器

供电。

第二.整流器在提供直流时，其工作原理不仅要求交流线路提供基频电流，也要求提供高次谐波，以通过整流元件合成出近似平稳的直流，在

制造高次谐波的过程中反过来影响交流电源的基波电流。

第三.电路存在着固有的电感和电容（包括分布参数），它们的组合可能引发谐振，从而使电流和电压的幅值增大许多倍，如图-2所示。电气

工程师的工作就是确定导致这种过电流和高电压的条件，并设法加

以避免。

图-2.

130KVAR电容

器安装处所测的电

压、电流波形，幅值

大的波形是电压，幅

值小的波形是电流。

该电容器由1000KVA

配电变压器供电，在

离电容器200英尺远

的母线上接有一台由

SCR控制的300马力

电动机。本图显示了

谐振情况下的电流尖

峰情况，在电流波形

中可清楚地看到11次

谐波分量的存在。

故障形成的原因

在一般工厂和办公大楼中，适当数目的可控硅整流器（SCR）装置很少引发故障，但是在下列情况却可能造成事故，应特别注意：

a.对所在系统而言,存在着容量较大的可控硅整流器（SCR）装置，例如，

有一、二个可控硅整流器（SCR）装置的负荷占其配电变压器容量的40%

左右，在换向时所产生的尖峰脉冲很容易会烧坏电容器组的保险丝，甚至击穿电容器的绝缘。

b．整流器通常的功率因数工作在较大（50%以上）的滞后条件下，而且存在频繁分合电容器，不论是全部还是分组。

c．可控硅整流器（SCR）装置的负荷大于同一低压母线上其它设备的负荷。d．在满载时可以把功率因数补偿到0.9以上的电容器，尤其在轻载时这些电容器仍不切除的情况下。

e．电容器的补偿容量（KVAR）超过变压器容量的25%。

浪涌冲击的危害

浪涌冲击（尖峰脉冲）比谐波更易造成熔断器烧断。为说明这点，可假定将电容器熔断器安装在每组电容器上，采用的熔断器为快速限流型(不同于慢速熔化型)，它可以迅速地将短路的电容器组切除。要防止电容器损坏，关键是切除速度，这类熔断器的保护效果相当不错。但是，这类熔断器太灵敏，其I2t容量相对较小（只有数千平方安培*秒），遇到浪涌尖峰就会烧断。目前普遍采用的单晶结构熔断器便属于此类。

因此，熔断器的额定电流应慎重选择。在标准正弦波条件下，传统的选择原则不会有什么问题，熔断器的额定电流一般选为电容器额定容量的1.67倍, 其中包括了电容器电流的正常波动范围；也可选为电容器额定千乏数的1.35倍, 这是由电容器的微法拉1.15倍，额定电压的1.1倍和附加谐波（在某种程度上总是存在的）的1.06倍综合计算得出的。但是有尖峰毛刺的电压波形也可以烧断这样的熔断器，现在许多电气工程师与熔断器制造商的想法一样，都在考虑将正常的选择倍数提高到2.2--2.5倍，或更高。

尖峰脉冲也会损坏接触器，当照明或电阻性负载的接触器用于补偿电容器时，按照接触器制造商的规定，浪涌冲击一般应限制在6倍额定电流以内。

电力工程师必须仔细选定在正常条件下运行的熔断器，以保证电容器和接触器不被损坏。更重要的是要设法抑制电容器安装处的瞬间尖峰干扰，通常的方法是在靠近敏感设备处，接入（串入）一定量的电感或安装并联抑制器。如果一条线路自身没有足够的电感，则可以用螺管形扼流线圈增补。为了获得更佳效果，就应采用滤波器。

谐振

在一般电力系统中，通常容易识别潜在的谐振电路，因为谐波比尖峰更容易分析，而且处理方法也较容易。谐振电流和电压的产生，必须具备谐振电路和激励两个条件，如果两个条件成立，将会造成振荡，从而引发过电流和过电压。下面对这两个条件做简要分析。

在确定谐振产生的第一个判据（即谐振电路）时，重点应了解谐振频率是否匹配激励频率。谐振频率取决于电路的电感（L）和电容（C）：

f= 1 /（2л*SQRT（LC））

其中：f 的单位是赫兹，

L的单位是亨，

C的单位是法拉。

在电力系统中，L和C主要包括以下因素：

a. 变压器阻抗（Z）（铭牌标注），这是电力系统中主要的感性元件。

b. 变压器与电容器之间电力线路的阻抗（电抗）（计算值）。