使用电能质量问题缓解方案保护水处理厂的电力基础设施

作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美编辑

电费成本一般会占到水处理厂运营预算的 40%，因此，工厂必须以最高效率运行。然而，工厂的水泵、电机驱动器、照明设备和压缩机一直受到诸如谐波失真、电压缺口、电压骤降和暂升以及电气噪声之类电能质量 (PQ) 问题的影响。这些电能质量问题会导致效率低下、停机和设备损坏。

电能质量问题缓解设备可解决水处理厂的问题。驱动隔离变压器、硬接线稳压器、电力线调节器、浪涌保护装置 (SPD) 和有源跟踪滤波器等产品可提高效率、防止停机并保护宝贵的电力资产免受损坏。

本文简要介绍了水处理厂电气设备设计人员面临的电能质量问题。然后介绍了 [SolaHD] 的电能质量问题缓解设备，这些设备可用于缓解这些问题并最大限度地提高效率。

电能质量问题

虽然水处理厂的能源供应总体上是可靠的，但电能质量问题经常出现。此类问题表现为不必要的谐波失真、电压骤降和暂升以及电气噪声。

水处理厂的电能质量挑战可能来自雷电等外部来源，也可能来自电气设备本身等内部来源。例如，当非线性负载以脉冲方式消耗电流时，质量较差的变速驱动器就会产生谐波失真（图 2）。谐波迫使导体承载 60 赫兹以外的非标准频率电流。

图 2：当非线性负载以脉冲方式汲取电流，并迫使导体承载 60 赫兹以外的非标准频率电流时，就会产生谐波。（图片来源：SolaHD）

通过在电压正弦波的特定点（而非整个正弦波）上产生非线性电流，电气设备会产生基频整数倍的谐波频率。低频谐波（如 180 Hz、300 Hz 或 420 Hz）是由流经电力系统的低频电流失真和相移电流引起的。高频谐波（1 kHz 至 3 kHz）是由大功率、非线性电子开关负载中的大电流开关引起的。

另一种谐波现象，即电压缺口，是由直流电机驱动器、电机启动器和电源等水处理设备中的电流整流器开关引起的。电压缺口通常是由硅控整流器 (SCR) 中的换向操作造成的。在电流从一个导电 SCR 传输到另一个 SCR 的短暂时间内，会产生短路。新的 SCR 开始导通，而之前的 SCR 则继续短暂导通。这会导致相位短路，通常持续几微秒 (µs)，足以降低电压。电压缺口可能发生在交流半周期的任何时刻，因为换向角度并不是恒定的，它会随着负载要求的变化而变化。

虽然电能质量问题有多个外部和内部来源，但约 80% 是由电压骤降造成的。IEEE 将电压骤降定义为低于 60 赫兹正常电压 10% 至 90% 的电压下降。骤降事件的持续时间一般少于 60 秒 (s)，但会多于 8 毫秒 (ms)（图 3）。

图 3：电压骤降是指电压降低 10% 至 90%，80% 的电能质量问题都是由电压骤降造成的。（图片来源：SolaHD）

虽然电压暂升发生的频率低于电压骤降，但它们同样会带来麻烦。电压暂升是一种过压情况，电压水平会在半个频率周期到几秒钟内暂时上升（图 4）。这些干扰可能是由于水处理厂关闭大型设备负载或功率因数校正 (PFC) 电容器切换等其他事件造成的。

图 4：电压暂升是指电压水平暂时上升，持续时间为半个频率周期至几秒钟。（图片来源：SolaHD）

其他电压问题和噪声

电气设备和配电系统会带来其他电压问题，包括瞬态电压、中断和不平衡。瞬态电压亦称电压尖峰，是电压的大幅上升，持续时间只有几微秒（图 5）。雷击、机械开关、电容器或电容器组开关、电力系统在故障后重新通电、变压器开关以及某些设备的突然停机都是瞬态的来源。

图 5：瞬态是电压的大幅上升，持续时间只有几微秒。（图片来源：SolaHD）

电压中断是指供电中断，持续时间从几秒到几十秒不等。超过五秒钟的中断通常被称为持续中断。典型原因是电力公司的发电或配电网络发生事故或设备故障。

电压不平衡是三相系统最常见的问题之一。正常的平衡状态是三相电压大小相同，相位角相差 120°。如果与其他相位相比，某一相位的负载过重，该相位的电压就会降低，从而导致不平衡。

任何设备在开启或关闭时，都会因电压或电流的流入或流出而产生电气开关噪声。噪声会产生快速的电压变化，从而产生不良影响或损坏电子电路（图 6）。

图 6：电气噪声会产生快速的电压变化，从而损坏电子电路。（图片来源：SolaHD）

电能质量问题对工厂设备的影响

电能质量问题有多种表现形式，会影响水处理厂设备的效率、可靠性和使用寿命。例如，谐波会影响整个水处理厂的设备，使中性线和变压器过热、断路器跳闸、中性线电流过大、降低系统容量，甚至使电气接头松动。

电压缺口会产生高频谐波，从而损坏水处理设施中敏感的逻辑和通信电子设备。此外，缺口产生的额外电流会使电磁干扰 (EMI) 滤波器和线路滤波器过载。此外，电压缺口会增加 PFC 电容器的损耗，并导致工作温度升高。

电压骤降时会出现的问题包括使用交流电机的水泵在恒定扭矩负载下会消耗更多电流，降低效率，有时还会导致过载继电器跳闸。

电压暂升通常不会立即导致设备故障，但系统会因反复暴露在电压暂升的环境中而承受过大压力并被削弱。暂升还会导致断路器和其他保护装置误跳闸。与电压暂升有关的另一个问题是绝缘降级，这会引起火灾，危及水处理厂的安全运行。

电力中断会阻碍水处理厂的运行，并缩短电气设备的使用寿命。此外，许多电机控制电路和过程控制系统在设计上并不能在电压中断后自动重新启动。

电压不平衡会导致严重的设备损坏。例如，当感应电机的电压不平衡时，线路电流通常是电压不平衡程度的几倍。这意味着，电压不平衡度为 5% 的电机可能会产生 20% 至 30% 的电流不平衡。额外的电流会在电机中造成电阻 (I^2^R) 损耗，导致温度上升数十摄氏度。

对于水处理厂中的固态传感器和控制器来说，电气噪声是一个严重的问题，因为它们的工作速度很快，功率水平极低。信号电压越低，可容忍的噪声电压幅度就越小。

缓解电能质量问题

谐波缓解可使用驱动隔离变压器来实现，该变压器具有三个基本功能：减轻电压变化、降低驱动引起的接地电流和减少共模噪声。变压器必须能够承受非线性负载的热量。例如 SolaHD 的 [23-22-112-2] 驱动隔离变压器，该变压器的输入电压为 120 伏或 240 伏，输出电压为 120 伏，输出谐波失真（输入范围内满载时）为总有效值的 3%。谐波的有效值或均方根值描述了谐波分量在一个周期内的平均功率。

由于增加了中和线圈，驱动隔离变压器的输出几乎没有谐波（图 7）。要了解其工作原理，可将该设备视为断开中和线圈的传统变压器。当部分磁通量通过磁芯的中心脚到达外侧脚时，现在开路的线圈就会产生感应电压。由于输出绕组的漏磁通，该电压具有较高的奇次谐波含量。

图 7：由于增加了中和线圈，23-22-112-2 驱动隔离变压器的输出几乎没有谐波。（图片来源：SolaHD）

漏磁通可以通过两条路径返回输出绕组。一条路径绕过中和线圈，另一条路径连接到中和线圈。通过控制这些磁路的磁阻，可以控制耦合到中和线圈的次级磁通量。中和线圈连接时其极性是叠加到次级线圈（或输出线圈）的。

该隔离变压器的输出电压恒定，几乎完全没有谐波。中和线圈中仍然存在谐波；但是，由于次级绕组的磁通会诱发这些谐波，因此每个线圈中的谐波相位大约相差 180°，从而抵消了谐波。

SolaHD 还提供用于减少谐波的 [63-23-125-4] 250 伏安 (VA) MCR 硬线稳压器（图 8）。该稳压器提供 120 V、208 V、240 V 或 480 V 输入电压和 120 V 输出电压。输出谐波失真（在输入范围内满载时）为总有效值的 3%。

图 8：63-23-125-4 MCR 硬线稳压器的输出谐波失真为总有效值的 3%。（图片来源：SolaHD）

该硬线稳压器采用了 SolaHD 的铁磁谐振变压器技术。铁磁谐振是一种变压器设计技术，可在设备中创建两个独立的磁路，并限制它们之间的耦合。这种设计的一个优点是，输入电流中的谐波电流相对于基波电流来说可忽略不计。变压器的输出端采用并行谐振振荡电路，从主设备汲取电能，以取代输送到负载的电能。

铁磁谐振变压器形成一个非线性电路，利用谐振来降低电源电压的变化，从而为负载提供更稳定的电压。

该变压器的磁阻在超过一定磁通密度（饱和）时会突然发生变化。该变压器允许一条磁路（谐振磁路）处于饱和状态，而另一条磁路则保持不饱和状态。以这种方式运行时，一次电压的进一步变化不会改变饱和电压或二次电压，从而实现稳压。

功率调节器用于保护关键工艺系统免受电压骤降的影响。

具有抗骤降功能的稳压器和电源还能防止供电电压下降。

电压波动可以通过 SPD 来解决，SPD 可以安装在检修入口、分支面板或附近的专用敏感电子负载上。当电压突变时，SPD 会将电流导入接地线。当瞬态脉冲超过阈值时，电源会有效地对地短路，而正常电流则不受影响。

SolaHD 的 [STCHSP121BT1RU] SPD（图 9）可为交流电源和低压信号线提供浪涌抑制。该抑制器具有共模和常模噪声过滤以及金属氧化物压敏电阻 (MOV) 保护功能。瞬态响应时间小于 5 纳秒 (ns)，最大浪涌耐受电流为 39 千安培 (kA)。SPD 还能防止雷击等事件产生的瞬态电压，但不能取代全面的防雷系统。

图 9：STCHSP121BT1RU SPD 抑制器具有过滤共模和常模噪声以及 MOV 保护功能。（图片来源：SolaHD）

噪声缓解可以通过使用有源跟踪滤波器（如 SolaHD[STFV025-24L] ）来实现。该装置可持续跟踪输入交流电源线路，并在检测到高频噪声时做出响应。该滤波器通过低通电感电容 (LC) 滤波器来消除低压/高频噪声。LC 电阻器 (LCR) 滤波器则用于降低能耗、高频噪声。位于各相和中性线导体上的电感器的大小要能承受线路上的最大电流。STFV025-24L 的响应时间 <5 ns，典型 A 类环形波（6 kV、200 A、100 kHz）的瞬态降低 <10 V 峰值。

结语

防止电能质量问题对提高效率、防止停机和保护宝贵的电力资产不受损害至关重要。这些问题包括谐波失真、电压骤降和暂升、瞬态电压和电气噪声。处理这些问题需要采取多层次的方法。与 SolaHD 这样能够提供一系列保护装置（包括驱动隔离变压器、硬线稳压器、电源调节器、SPD 和有源线路滤波器）的供应商合作，可以更容易获得必要的保护。