提高電能質(zhì)量 保障工業(yè)現(xiàn)代化的實(shí)現(xiàn)——專訪航天科工集團(tuán)二院706所電磁兼容中心主任楊繼深

文/本刊記者 賈常艷/

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對電能質(zhì)量及其可靠性的要求越來越高。但是電能質(zhì)量的問題也伴隨著人們要求的提高接踵而來，大型用電設(shè)備及對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備的使用等都在明目張膽的影響著電能質(zhì)量，甚至給人類的生產(chǎn)生活造成損失或傷害。因此，本刊記者就提高電能質(zhì)量的問題專門采訪了航天科工集團(tuán)二院706所電磁兼容中心主任楊繼深，他將從電磁兼容與電能質(zhì)量之間的關(guān)系、諧波的問題、電能質(zhì)量對整個(gè)電工行業(yè)的影響及未來我國節(jié)能減排的發(fā)展方向四個(gè)方面出發(fā)，為我們詳細(xì)闡述電能質(zhì)量方面存在的問題及解決方案。

《電器工業(yè)》：請您簡單介紹一下706所電磁兼容中心目前的工作重點(diǎn)。

楊繼深：本中心從2002年成立至今，始終把促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為客戶提供滿意的產(chǎn)品為己任。目前的工作重點(diǎn)有三個(gè)：第一，結(jié)合當(dāng)前工業(yè)、商業(yè)的用電情況以及常見的電能質(zhì)量問題，完善產(chǎn)品線，向市場提供更加豐富、品質(zhì)更高的產(chǎn)品。第二，編寫“電能質(zhì)量控制與節(jié)電技術(shù)”的教材和課件，準(zhǔn)備2013年4月份開始舉辦電能質(zhì)量與節(jié)電技術(shù)培訓(xùn)班，普及相關(guān)的知識，其中理論學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括：電能質(zhì)量的基本概念，電能質(zhì)量的影響，電能質(zhì)量的監(jiān)控，電能質(zhì)量的控制（諧波治理、浪涌保護(hù)、射頻干擾抑制）、變頻器相關(guān)的問題與解決、節(jié)電潛能分析與節(jié)電方

案的制定。實(shí)驗(yàn)演示的內(nèi)容豐富多彩，對理論學(xué)習(xí)中介紹的現(xiàn)象和原理，通過實(shí)驗(yàn)的方法展示出來，加深對問題的理解。培訓(xùn)對象包括設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)師、企事業(yè)單位的電氣管理人員。參加培訓(xùn)后，他們能制定出科學(xué)的電能質(zhì)量控制和節(jié)電技術(shù)方案，當(dāng)出現(xiàn)電能問題時(shí)能夠進(jìn)行分析，進(jìn)而提出改進(jìn)的方案。第三，建設(shè)電能質(zhì)量體驗(yàn)中心，這個(gè)中心可以演示大部分電能質(zhì)量現(xiàn)象及解決這些電能質(zhì)量問題的技術(shù)手段。該中心不僅向企事業(yè)工程技術(shù)人員開放，還接待高等院校相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，我們相信這個(gè)體驗(yàn)中心將在普及電能質(zhì)量知識方面發(fā)揮重要的作用。

此外，我們有一個(gè)先進(jìn)的電能質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，可以研究各種工業(yè)、商業(yè)電網(wǎng)上出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題，并且可以對所研發(fā)的產(chǎn)品進(jìn)行充分的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室是根據(jù)實(shí)際的電網(wǎng)條件建立的，依托于這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，我們敢于承諾客戶提出的技術(shù)要求。

《電器工業(yè)》：您最近的幾次演講都是從電磁兼容角度分析電能質(zhì)量問題，那電磁兼容與電能質(zhì)量之間有什么關(guān)系？

楊繼深：首先，看一個(gè)例子。某新建的工廠，安裝了進(jìn)口的世界頂級生產(chǎn)線，但是運(yùn)行不穩(wěn)定，不能投產(chǎn)。經(jīng)過生產(chǎn)線的廠商檢查，結(jié)論是該廠的電能質(zhì)量不符合要求，導(dǎo)致生產(chǎn)線不能按照設(shè)計(jì)的情況運(yùn)行。而該廠的總設(shè)計(jì)師分析發(fā)現(xiàn)廠房的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)如果不運(yùn)行，生產(chǎn)線則可正常工作，也就是空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)與生產(chǎn)線不能同時(shí)運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師下的結(jié)論是，暖通系統(tǒng)與生產(chǎn)線之間電磁不兼容。

通過這個(gè)例子可知，電能質(zhì)量與電磁干擾是對同一個(gè)問題的不同描述。關(guān)注問題的角度不同，就使用不同的術(shù)語。從事電能供應(yīng)和用電管理的人，喜歡用電能質(zhì)量這個(gè)術(shù)語，從事系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的人喜歡用電磁兼容這個(gè)術(shù)語。

實(shí)際上，上面兩個(gè)結(jié)論都是正確的。我們可以這樣描述：暖通系統(tǒng)導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，用劣質(zhì)的電能給生產(chǎn)線供電，影響了生產(chǎn)線的正常工作。因此，可以將電能質(zhì)量降低看成是導(dǎo)致電磁干擾的一個(gè)原因。

總結(jié)上面所說的，我們可以認(rèn)為，電磁兼容包含了電能質(zhì)量。實(shí)際上，很多電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)都是針對電能質(zhì)量而提出的。

《電器工業(yè)》：目前最受關(guān)注的電能質(zhì)量問題就是諧波的問題，為什么諧波的問題如此突出，諧波源大量出現(xiàn)對于我們的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有什么影響？

楊繼深：主要是因?yàn)橹C波產(chǎn)生于非線性負(fù)荷，而整流電路是一種最主要的非線性負(fù)荷。而現(xiàn)代負(fù)荷幾乎都包含整流電路，因此諧波電流非常普遍。諧波源負(fù)荷的大量涌現(xiàn)，注定了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法不再適用。

首先，無功補(bǔ)償量計(jì)算發(fā)生了巨大變化。整流電路并不需要補(bǔ)償無功，如果仍然按照傳統(tǒng)的方法設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償量，輕則導(dǎo)致無功補(bǔ)償裝置閑置無用，重則導(dǎo)致無功過補(bǔ)。

另外，無功補(bǔ)償裝置中的電容必須要采取去諧振處理，否則在某次諧波電流的頻率上，電容會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振，諧振的結(jié)果是將諧波電流放大，使流過電容和系統(tǒng)的電流驟然變大，不僅會導(dǎo)致電容過熱損壞，還可能導(dǎo)致變壓器過熱，甚至損壞。

導(dǎo)線的截面積也要根據(jù)諧波含量進(jìn)行放大。特別是在三相四線配電系統(tǒng)中，如果沒有采取控制諧波的措施（例如，在負(fù)載端使用諧波濾波器，或者在變壓器下端安裝零線諧波電流阻斷器），零線的截面積要為相線的2倍。

繼電保護(hù)器等裝置的容量也要適當(dāng)放大，因?yàn)樵谟行е狄欢ǖ那闆r下，諧波電流的峰值可能會達(dá)到正常電流峰值數(shù)倍。對于檢測峰值電流繼電保護(hù)裝置而言，就會出現(xiàn)誤動(dòng)作。

諧波電流對電網(wǎng)危害主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：第一，會導(dǎo)致電網(wǎng)容量下降，變壓器和電纜過熱。第二，導(dǎo)致電壓畸變，使其他電子設(shè)備受到影響。第三，導(dǎo)致零線過熱，造成火災(zāi)的隱患。第四，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置意外動(dòng)作。

《電器工業(yè)》：對于諧波治理，從工業(yè)制造系統(tǒng)的角度，與從電網(wǎng)的角度，兩者關(guān)注點(diǎn)有什么不同？提高諧波質(zhì)量的技術(shù)在這兩個(gè)方面又有何不同？

楊繼深：很簡單，兩者的目的不同。從工業(yè)制造系統(tǒng)的角度，關(guān)注點(diǎn)在于怎樣保證工業(yè)制造系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，使其不要受到諧波的影響。從電網(wǎng)的角度，關(guān)注點(diǎn)在于怎樣保證公共電網(wǎng)的質(zhì)量，避免使其他用電客戶受到諧波的影響。

顯然，作為企業(yè)，屬于前者。作為電網(wǎng)公司，屬于后者。實(shí)際上，過去企業(yè)從事諧波治理是被動(dòng)的，也就是說，是單純?yōu)榱藵M足電力公司的要求而采取諧波治理。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，所采取的技術(shù)方案往往僅使電網(wǎng)公司獲得利益，而自己的企業(yè)絲毫沒有利益。因此，我們主張，企業(yè)要主動(dòng)起來，在進(jìn)行諧波治理時(shí)，不僅滿足電網(wǎng)公司的要求，還要兼顧自己企業(yè)的利益，使投資發(fā)揮最大的效益。

提高諧波質(zhì)量的技術(shù)在工業(yè)制造系統(tǒng)和電網(wǎng)這二者間主要是技術(shù)方案不同。從工業(yè)制造系統(tǒng)的角度關(guān)注時(shí)，盡量在下游治理，也就是在諧波負(fù)荷的電源入線端進(jìn)行諧波治理，這樣非線性負(fù)荷就如同線性負(fù)荷一樣，不向電網(wǎng)注入諧波電流，可以保證企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠。而當(dāng)內(nèi)部電網(wǎng)改善后，電力公司所關(guān)注的公共電網(wǎng)的質(zhì)量自然就得到了保證。從電網(wǎng)的角度關(guān)注時(shí)，盡量在上游治理，一般在企業(yè)的電網(wǎng)接入點(diǎn)處治理，保證這個(gè)點(diǎn)的電能質(zhì)量滿足電網(wǎng)公司的要求。

雖然在非線性負(fù)載的電源入線端治理諧波是最好的方案，但是這種方案可能成本較高，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)情況，可以采用靈活的方案，也就是綜合治理。

諧波的綜合治理按照以下原則進(jìn)行：

1) 對于功率較大（例如22kW以上）的諧波源（變頻器、UPS、中頻爐等），在這些設(shè)備的電源入口處治理；

2) 在分配電柜，根據(jù)諧波電流的大小，決定是否需要采取治理，如果諧波電流畸變率超過20%，建議進(jìn)行治理，使其達(dá)到10%以下；

3) 在總配電柜（變壓器的下端），根據(jù)諧波電流的情況，決定是否需要進(jìn)行治理，通常，以電網(wǎng)公司的標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，如果諧波電流超過標(biāo)號要求，就進(jìn)行治理，否則不用治理。

在進(jìn)行綜合治理的設(shè)計(jì)時(shí)，主要是注意濾波器的選擇。在諧波源設(shè)備的電源入口處安裝的設(shè)備，必須是專用的設(shè)備級濾波器。在分配電柜以上的各處安裝的濾波器要選擇適合于母線安裝的濾波器。

《電器工業(yè)》：您提到變頻器產(chǎn)生的各種副作用中，大家對諧波電流發(fā)射和電磁干擾體會比較深，請您詳細(xì)談?wù)勛冾l器對電機(jī)的損傷問題？而對變頻器產(chǎn)生的這些危害該如何預(yù)防呢？

楊繼深：變頻器通過PWM電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這會損傷電機(jī)的定子繞組絕緣和電機(jī)的軸承。這兩種損傷是變頻器導(dǎo)致的必然結(jié)果，只是有些場合比較明顯（電機(jī)的壽命明顯縮短），有些場合不是很明顯。

一般，功率較小的電機(jī)容易發(fā)生定子繞組損壞的情況。功率較大、電壓較高的電機(jī)容易發(fā)生軸承損壞的情況。而一般銷售變頻器的廠家會回避這些危害的介紹，所以很多人對此不了解。結(jié)果，安裝變頻器節(jié)省的電費(fèi)支出，被額外的設(shè)備維修、停工停產(chǎn)的損失所吞噬。

所以，使用變頻器時(shí)，一定要在變頻器的輸出端安裝合適的濾波器來解決這個(gè)問題。目前，變頻器廠家推薦在變頻器的輸出端安裝一只電抗器，這對于保護(hù)電機(jī)微小的效果，要完全解決變頻器對電機(jī)的損傷問題，可以安裝正弦波濾波器。正弦波濾波器將PWM電壓波形轉(zhuǎn)換成正弦波波形，使電機(jī)工作在與工頻電壓相同的狀態(tài)下，就消除了電機(jī)損傷的問題。

關(guān)于變頻器對電機(jī)損傷問題討論也是我們的電能質(zhì)量與節(jié)電技術(shù)培訓(xùn)課程的重要內(nèi)容之一。

《電器工業(yè)》：請您談?wù)勌岣唠娔苜|(zhì)量，對整個(gè)電工行業(yè)特別是發(fā)輸配用電

領(lǐng)域有怎樣的影響？

楊繼深：應(yīng)該說具有舉足輕重的影響。如果不提高電能質(zhì)量，工業(yè)現(xiàn)代化、科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化就不能實(shí)現(xiàn)。這種說法絕不是聳人聽聞。因?yàn)?，現(xiàn)代化的核心就是電子化和信息化，而這些設(shè)備對于電網(wǎng)的質(zhì)量十分敏感。如果不能保證電能質(zhì)量，就不能保證這些系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，也就實(shí)現(xiàn)不了現(xiàn)代化。

目前最常見的電能質(zhì)量問題有三個(gè)，諧波、浪涌電壓和電壓驟降，其中由于非線性負(fù)荷的大量使用，諧波的問題最為突出。典型的非線性負(fù)荷是變頻器、中頻爐、計(jì)算機(jī)為代表的信息設(shè)備、高效發(fā)光設(shè)備（節(jié)能燈、LED顯示屏）。諧波的危害主要是使配電系統(tǒng)不穩(wěn)定(以外跳閘)甚至故障（變壓器過熱、電纜過熱、無功補(bǔ)償裝置燒毀等），其中，信息設(shè)備和節(jié)能燈、LED顯示屏等產(chǎn)生的三次諧波電流所導(dǎo)致的零線電流過熱問題是極大的電氣火災(zāi)隱患。

隨著電子信息設(shè)備、自動(dòng)控制設(shè)備的廣泛應(yīng)用，浪涌電壓的問題也日益突出。浪涌電壓產(chǎn)生于雷電和電氣負(fù)荷的通斷，其中前者占20%，后者占80%。浪涌電壓會導(dǎo)致電子設(shè)備的誤動(dòng)作，壽命縮短，甚至硬件損壞。

解決電能質(zhì)量問題從兩個(gè)方面入手，一個(gè)是控制電能污染源，主要的內(nèi)容是控制諧波電流發(fā)射。另一個(gè)是對被污染的電能進(jìn)行凈化，消除浪涌電壓，穩(wěn)定電壓。

《電器工業(yè)》：2012年國務(wù)院頒布了《節(jié)能減排“十二五”規(guī)劃》，提出“風(fēng)機(jī)、水泵、空壓機(jī)、變壓器等新增主要耗能設(shè)備能效指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)或國際先進(jìn)水平”。您認(rèn)為當(dāng)前我們在節(jié)能減排方面與國外有怎樣的差距，今后的努力方向是什么？

楊繼深：電機(jī)的節(jié)電主要有兩個(gè)途徑，一個(gè)是使用變頻器調(diào)整電機(jī)的功率，消除被浪費(fèi)的功率，另一個(gè)是使用低損耗的鐵心材料制造電機(jī)。降低變壓器的損耗也是主要采用非晶材料作為鐵心，降低損耗。我認(rèn)為，我們與國外的差距主要有三個(gè)方面。第一，非晶材料還沒有普及，這限制了高效變壓器和高效電機(jī)的普及。第二，公眾缺少節(jié)電方面的知識，加上一些公司有意誤導(dǎo)，很少能夠提供一個(gè)符合科學(xué)原理、經(jīng)濟(jì)有效的節(jié)電方案。第三，變頻器節(jié)電簡單、有效，但是對其產(chǎn)生的電磁干擾，包括諧波干擾和射頻干擾，變頻器對電機(jī)的損傷等問題，缺少配套解決方案。盡快解決上述問題，就是我們今后努力的方向。