電源質量治理技術-林學良

林學良低壓側電源污染治理技術一、電源污染及其危害（一）關于電源質量人類科學合理的利用電能的前提是：電能的各項指標和參數(shù)符合需求，當電能的一個或數(shù)個參數(shù)發(fā)生了變化，電能質量就下降了，就滿足不了要求，或稱電能被污染了，或稱電污染。電污染是當今世界三大污染（空氣、水、光、電）之一，又是清潔能源、節(jié)能減排的主要課題之一。影響電源質量的因素即污染源：諧波、激勵震蕩、電涌（浪涌）、雷擊（閃電）、閃變、集膚效應、磁滯、渦流、電磁輻射、脈沖、尖峰、三相不平衡等。電污染的產生和來源情況比較復雜，途經(jīng)很多。有自然的，比如太陽黑子的運動，地球磁場影響，各行星運行軌道之間的相互作用，雷電等。另一類是人類活動產生的，現(xiàn)代社會幾乎無處不用電，大量現(xiàn)代化和非線性用電設備的使用，每天無數(shù)次的接通和斷開各類非線性電器所形成的沖擊，使我們的任何一個供電網(wǎng)絡都做不到其負載恒定和平衡，都會附帶有大量的、不同種類和不同特征的電污染。有上級網(wǎng)產生的電污染對下級網(wǎng)的影響，有下級網(wǎng)產生的電污染對上級網(wǎng)的影響，還有同級別網(wǎng)相互之間的影響，以及我們的生活空間周圍大量存在著的電磁輻射等。（二）電污染的危害

傳導式電污染的本質特征分兩大類：一是連續(xù)（或斷續(xù)）寬頻譜的，二是瞬變（或突變）的。不管是那種特征形式，都是寄生、附載或疊加在我們的電源信號、控制信號和通信信號中，即電能中總是包含有一定雜質的。人們對電能的需求是純凈的那一部分，而雜質（電污染）是有害的，是需要清除出去的，否則就會造成系統(tǒng)中的線損、鐵損、銅損、發(fā)熱、耗能、跳閘、誤動作、氧化、接地高阻抗、毀器件、線路板子及設備等；也是因電路電器引起的消防安全等各類事故頻發(fā)的重大隱患。因此有效治理電污染，使用電終端減少維護成本、保護設備提高經(jīng)濟效益的需要，更是消除事故隱患保障用電安全的必要措施。二、電污染治理技術（一）、現(xiàn)有技術的局限性

現(xiàn)有治理電污染的辦法無非就是濾波、旁路、抵消、補償、緩沖、延遲、分離、衰減、穩(wěn)壓、穩(wěn)流、變頻、變壓、變流、機械降溫等。有史以來改善電能質量的各種措施的實現(xiàn)目的都是相對單一的，頭疼醫(yī)頭，腳疼醫(yī)腳，并且治理的還不徹底，或者治標不治本。用一種傳統(tǒng)的技術或裝置來統(tǒng)籌解決和涵蓋所有或絕大部分電污染問題是做不到的，而且還會有副作用。（二）治理電污染的新技術1、等效方法：分離、吸收、校正、回饋。

2、步驟：A、同步分離：除工頻信號（45-65Hz）外，其他信號都不是用電設備所需要的（都視為電污染），同時用電設備所產生的電污染也被吸收到分離單元。B、吸收電污染至矯正系統(tǒng)，絕不讓其入地。C、工頻與電污染的頻率不同，其電力線和磁力線的方向也不同，將其按工頻方向矯正。D、將矯正過來等于工頻的能量回饋（節(jié)電部分）。關鍵詞：電位，交流電位。阻抗，視入阻抗。

3、接地問題

現(xiàn)行的許多諧波過濾系統(tǒng)和浪涌保護器是采用不良電源旁路到中性線的方法以達到在干擾電源損害設備之前就已經(jīng)進入地線，這種理念誤導了我們幾十年。但由于大地是有阻抗的，尤其對于寬頻譜的高次諧波，通常的濾波裝置把它們集中到入地口，因為分布參數(shù)和視入阻抗的原因其根本就入不了地，因此形成了入地口的堆積，形成了駐波，其結果就是到處亂竄，這就是許多莫名其妙電子、電器和電氣事故的真正原因，這就使得沖擊脈沖或者諧波進入中性線后（負序和零序諧波）仍會損壞你認為已經(jīng)得到保護的設備。事實上“安全接地”只是對工頻而言的，大地總是有電阻的，大地對頻率高一點的電污染呈現(xiàn)的是高阻抗，寬頻譜和高頻率的電污染在入地點的積蓄勢必造成電污染的隨機疊加和導體竄擾，于是就造成大量莫明其妙的電氣事故等。由于電機等負載設備的電感特性，使其每次的接入和斷開都形成一個浪涌。大量變頻和整流的使用又使系統(tǒng)中產生頻譜非常寬的諧波（特征諧波和間諧波），三相不平衡會使系統(tǒng)中除正序諧波數(shù)量增加以外，并使系統(tǒng)中負序和零序諧波分量極大的增加。因此，無論是上級網(wǎng)夾帶來的，還是用電設備自身產生的電污染，都是極大地降低了電子設備的效率，增加了能耗，提高了故障率，破壞了用電環(huán)境，影響了生產、生活和安全。4、設計原理：已知，電路系統(tǒng)中的總電壓畸變率：

設：電污染的成分可能有無數(shù)個，φ是某一個電污染成分某一時刻t已經(jīng)偏離工頻的角度，N是磁性體的參數(shù)，則

這一部分要表達的正好就是電路中的總電壓畸變率（所有偏離標準方向的成分）。所以，只要我們按照這樣的思路去設計一個相應的裝置，做到則，系統(tǒng)中的總電壓畸變（總電污染）將被吸收干凈。美國EP裝置就基本實現(xiàn)了這一理念。（一）EP公司E是英語詞匯Environmental（環(huán)境），P是英語詞匯Potentials（潛能），即美國環(huán)境潛能股份有限公司。美國EP公司是專業(yè)從事能源環(huán)保高科技產品研究和制造廠商。其主要開發(fā)制造部門位于美國猶他州的鹽湖城。該公司集在研究消除電磁干擾、保障電能質量方面50多年的經(jīng)驗，尤其在解決目前世界上尚不能徹底解決的瞬時電源畸變和連續(xù)（間斷）寬頻譜干擾等現(xiàn)象，如各種頻段的諧波、電涌、脈沖、瞬變、系統(tǒng)沖擊等這種被統(tǒng)稱電污染這一世界難題方面，于1999年成功開發(fā)了當今世界領先的高科技成果—EP系列裝置，且由美國能源部正式向中國政府進行了推薦，于2002年進入中國市場。三、美國EP裝置（二）EP裝置的適用范圍凡是有電的地方就有電污染，只不過電污染的程度有強有弱，對其是否需要治理有其意義和成本的考量。

EP是當今世界能完善和徹底解決電污染問題的最有效裝置，它突破和顛覆了許多的傳統(tǒng)思維，它需要我們換個角度去認識、去學習、去實踐、去用好它。

多年來，從事電氣、電子行業(yè)的領導和專家們，凡用過EP的，都為其科學和神奇的效果贊嘆不已，愛不釋手。其本質，就是EP裝置對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和生產安全的保障方面已經(jīng)做出了卓越的貢獻。（三）EP裝置在國內經(jīng)過多年的實踐，EP裝置已經(jīng)在中石化的天津石化、齊魯石化、濟南石化、九江石化、安慶石化、石家莊石化、西氣東輸工程以及一些油田、煉油廠、和化工廠等單位使用，其效果可以用“驚人的好”來形容。國內其他行業(yè)，比如鋼鐵冶金行業(yè)、礦山、石油、煙草、電信、移動、鐵道、地鐵、醫(yī)院、公安、軍工、銀行、保險、航天、兵器、核工業(yè)等，都分別以下文推薦、科研課題、節(jié)能減排項目、技改、設備改造以及新建項目等得以廣泛應用。

目前我們要做的就是加深EP知識的理解和普及，加大其推廣力度，使其更好地為我國建設服務。

（四）EP裝置的工作原理下圖是一個基本的EP單元：1、在與相線相連接的同一電位點上，能檢測到瞬時的電壓升高，并在其上升到超過電源峰值的10%時（或大于有效值的倍)將其箝位、吸收。2、當出現(xiàn)瞬時高壓時，有效地減緩或延遲上升時間，使其過渡到箝位電平的過程是平滑的，從而保證下一個瞬時高壓的箝位處理不至于發(fā)生類似于欠阻尼振蕩的情況。3、對于頻率高于工頻的各次諧波，因其電壓上升速率也都偏高，因此也都在對其減緩和延遲上升時間之列，要有足夠好的充通效果，采用分組并單調連續(xù)的思路，衰減量從－6db到－40db對各類諧波進行處理，并不讓其發(fā)生欠阻尼振蕩。4、除獨立的保護地線外，其所有外接線的吸收功能都是雙向的。5、歸納起來，就是對工頻呈現(xiàn)高阻抗，對高頻呈現(xiàn)低阻抗。要實現(xiàn)以上功能，各部位和元件的作用就非常重要。圖中：1、編號2是一個具有感抗性質的軟磁性材料的同軸非晶態(tài)環(huán)形器件，對瞬時高電壓起減緩和延伸的作用。2、編號3是一個非線性電阻器，一方面，當不出現(xiàn)瞬時高壓時，其阻抗接近于無窮大，當箝位限隔的瞬間，其阻抗非常小。另一方面，對瞬時高壓判斷的依據(jù)，不是電壓幅度有多高，而是在電壓趨向于上升時，當通過器件的電流也上升，并且電流的上升速率比電壓大時，即電源線阻抗分壓大時，器件的非線性就體現(xiàn)出來。3、編號4是一個具有容抗性質的器件，在非線性電阻器開關轉換的瞬間，其端電壓不能突變，給瞬間大電流提供一條通路，被充電后的電能提供給低通網(wǎng)絡轉換成磁能。4、編號5是一個感抗性質的毫微結晶磁芯材料的器件，其材料具有非常高的初始磁導率，損耗極低，同時具有非常高的磁通量飽和密度，使其非常容易被磁化并能在非常寬的磁通量滲透范圍內保持磁化，剩磁及矯頑性接近于零，即對頻率及電流的響應必須是線性的，以彌補容抗器件只對電流的響應呈線性而對頻率響應的非線性。將容抗器件的電能轉換成磁能后，經(jīng)編號6、7吸收處理。所以編號4、5、6、7又組成一個臨界阻尼的低通網(wǎng)絡，以保證其他諧波能得到充分處理。（五）EP裝置的顯著特點1、EP裝置1999年研發(fā)成功，2002年由美國能源部推薦到我國，如今已在國內很多領域得到應用，效果極佳。目前還沒有完全同類的產品。2、EP裝置是目前世界上獨一無二的，它完善地做到了清除、保護和節(jié)能之系統(tǒng)解決方案。3、它不是傳統(tǒng)意義上的旁路、濾波電污染，也不是抵消，而是吸收，即絕不讓任何電污染入地。其同時刻吸收連續(xù)或非連續(xù)諧波范圍可高達上萬次，單模塊吸收熱量達60萬焦耳，平均衰減超過-25dB。4、由于對電污染有吸收和糾正作用，因此有一定的節(jié)電效果。是實實在在的節(jié)電，所節(jié)省的這部分電能是其它產品和技術望塵莫及的，通常其節(jié)電率能達到5%--15%。對糾正不過來的極少部分能量作散熱處理而絕不回饋入地。5、EP裝置是無源的，不耗電，自身不是污染源。不但對系統(tǒng)不會造成任何影響，還切實對與其相接的設備和系統(tǒng)起到保護作用。既可集中治理，也可分散治理，即“誰有病誰吃藥”。

6、EP裝置不僅根據(jù)連續(xù)的頻譜跟蹤原理來吸收諧波等干擾，還特別對以高di/dt、dv/dt、d∮/dt為特征的電能瞬變的克服效果顯著。所以不僅吸收特征諧波，各種非特征諧波（間諧波）、電涌、閃變、尖峰、振蕩、磁滯、渦流、畸變、輻射、集膚效應等其它用同一裝置或同一設備無能為力的，都能很徹底的抑制和吸收，即像割韭菜，剃光頭。

7、就用電質量來講，高次諧波的影響是不能忽視的，有些高次諧波的危害遠大于個別低次諧波，比如集膚效應、渦流引起的發(fā)熱、耗能增加，射頻干擾引起的莫名其妙跳閘、繼電器或電磁接觸器誤動作、各類接觸點高度氧化，大地對高次諧波所呈現(xiàn)的高阻抗等。所以EP裝置是目前唯一能全面和徹底克服電路中的鐵損、銅損、線損、磁滯、集膚效應、渦流甚至諧振等現(xiàn)象的裝置，它使被保護的其它設備的壽命延長100%以上，工作溫度下降5--40℃。

8、EP裝置使電路中的諧波無功功率不復存在，有效地改善了電路的無功狀態(tài)。

9、EP裝置抑制瞬時尖峰和浪涌的能力依不同的型號單模塊可高達二萬伏，對瞬時沖擊電流的吸收能力單模塊可達80kA，最大單機可達640kA，用模塊疊加和多機并聯(lián)的方式這些數(shù)據(jù)還可以做到隨時刷新。其響應時間大約為一納秒(十億分之一秒)，即任何瞬變還來不及上升就被很快抹平了，比一般避雷裝置的響應時間都短的多（當今先進的一般都大于二十五納秒），并且保證了系統(tǒng)不需要用停電來保護。10、EP裝置既可單模塊安裝，也可多模塊組合，所以可以滿足不同的負載容量和吸收不同熱量的要求。11、EP裝置的制造加工采用先進的納米技術，其體積小、重量輕、內部為非晶態(tài)磁體合成材料、安裝極為簡便，工作壽命無限，免維護，投資一勞永逸。12、EP裝置依不同的工作電壓、負載接法、諧波含量有較嚴謹?shù)募夹g設計和型號選擇方案，用戶應盡可能按設計方案選型。EP裝置目前成熟產品的適應工作電壓范圍是交流1000V以內，其他特殊情況需要特別定制。13、EP裝置有星型接法（現(xiàn)場零地不合一，即五線制）和角型接法（現(xiàn)場零地合一，即四線制），兩種接法不宜混淆，以保證除吸收正序諧波外，無論是零序或負序諧波的充分和徹底的吸收。14、EP裝置的顯著效果與其在線工作時間有關，時間越長，效果越徹底。15、EP裝置的回報率不能僅從節(jié)電率來考慮，系統(tǒng)有了潔凈的電能并工作穩(wěn)定了，安全了，系統(tǒng)維護及檢修成本降低了，就是最大的節(jié)約能源。16、裝置安全性已通過UL、CSA認證，并符合NEMALS—1、NEC、SAFETYRATINGS及IEC516公告，并于2003年榮獲美國政府最高成就獎。目前世界上吸收浪涌電壓的前三名公司的產品性能比較EP對瞬時(微秒級)浪涌吸收能力效果圖示

首鋼遷鋼煉鐵沖渣二號變頻安裝EP前首鋼遷鋼煉鐵沖渣二號變頻安裝EP后日本NKC滋貨廠安裝EP前日本NKC滋貨廠安裝EP后日本NKC滋貨廠安裝EP前日本NKC滋貨廠安裝EP后日本省工礻（有）激光機安裝EP前日本省工礻（有）激光機安裝EP后5、節(jié)電有效的節(jié)電方法：A、根據(jù)負載工作需要節(jié)電，比如變頻技術。B、控制有效工作時間節(jié)電，比如空調強制停機技術。C、提高能量轉換效率，比如調整葉輪和扇片到最佳角度等。D、電污染治理技術（新）。

電能：純凈電能+雜質電能

當負載只得到純凈電能時，系統(tǒng)耗電量下降。日本省工礻（有）激光機安裝EP前后對比齊魯石化：黑色為安裝EP前，紅色為安裝EP后中原油氣田一聯(lián)合02B段B12柜D屜電源中電投江西景德鎮(zhèn)電廠一號爐DCS電源A段EP裝置的工作原理圖（六）EP裝置的認證（七）EP裝置的應用Withinthearenaofheavyindustry,theequipmentoperationsandprocessesatworkadverselyaffectelectricalcircuitsatmultiplelocations.一般工業(yè)電路Serv