提高电能质量 保障工业现代化的实现——专访航天科工集团二院706所电磁兼容中心主任杨继深

文/本刊记者 贾常艳/

随着现代科学技术的发展，人们对电能质量及其可靠性的要求越来越高。但是电能质量的问题也伴随着人们要求的提高接踵而来，大型用电设备及对电能质量敏感的用电设备的使用等都在明目张胆的影响着电能质量，甚至给人类的生产生活造成损失或伤害。因此，本刊记者就提高电能质量的问题专门采访了航天科工集团二院706所电磁兼容中心主任杨继深，他将从电磁兼容与电能质量之间的关系、谐波的问题、电能质量对整个电工行业的影响及未来我国节能减排的发展方向四个方面出发，为我们详细阐述电能质量方面存在的问题及解决方案。

《电器工业》：请您简单介绍一下706所电磁兼容中心目前的工作重点。

杨继深：本中心从2002年成立至今，始终把促进国家经济发展，为客户提供满意的产品为己任。目前的工作重点有三个：第一，结合当前工业、商业的用电情况以及常见的电能质量问题，完善产品线，向市场提供更加丰富、品质更高的产品。第二，编写“电能质量控制与节电技术”的教材和课件，准备2013年4月份开始举办电能质量与节电技术培训班，普及相关的知识，其中理论学习的内容包括：电能质量的基本概念，电能质量的影响，电能质量的监控，电能质量的控制（谐波治理、浪涌保护、射频干扰抑制）、变频器相关的问题与解决、节电潜能分析与节电方

案的制定。实验演示的内容丰富多彩，对理论学习中介绍的现象和原理，通过实验的方法展示出来，加深对问题的理解。培训对象包括设计院的设计师、企事业单位的电气管理人员。参加培训后，他们能制定出科学的电能质量控制和节电技术方案，当出现电能问题时能够进行分析，进而提出改进的方案。第三，建设电能质量体验中心，这个中心可以演示大部分电能质量现象及解决这些电能质量问题的技术手段。该中心不仅向企事业工程技术人员开放，还接待高等院校相关专业的学生，我们相信这个体验中心将在普及电能质量知识方面发挥重要的作用。

此外，我们有一个先进的电能质量实验室，在这个实验室中，可以研究各种工业、商业电网上出现的电能质量问题，并且可以对所研发的产品进行充分的实验验证。这个实验室是根据实际的电网条件建立的，依托于这个实验室，我们敢于承诺客户提出的技术要求。

《电器工业》：您最近的几次演讲都是从电磁兼容角度分析电能质量问题，那电磁兼容与电能质量之间有什么关系？

杨继深：首先，看一个例子。某新建的工厂，安装了进口的世界顶级生产线，但是运行不稳定，不能投产。经过生产线的厂商检查，结论是该厂的电能质量不符合要求，导致生产线不能按照设计的情况运行。而该厂的总设计师分析发现厂房的空调通风系统如果不运行，生产线则可正常工作，也就是空调通风系统与生产线不能同时运行。系统设计师下的结论是，暖通系统与生产线之间电磁不兼容。

通过这个例子可知，电能质量与电磁干扰是对同一个问题的不同描述。关注问题的角度不同，就使用不同的术语。从事电能供应和用电管理的人，喜欢用电能质量这个术语，从事系统设计和集成的人喜欢用电磁兼容这个术语。

实际上，上面两个结论都是正确的。我们可以这样描述：暖通系统导致电能质量下降，用劣质的电能给生产线供电，影响了生产线的正常工作。因此，可以将电能质量降低看成是导致电磁干扰的一个原因。

总结上面所说的，我们可以认为，电磁兼容包含了电能质量。实际上，很多电磁兼容标准都是针对电能质量而提出的。

《电器工业》：目前最受关注的电能质量问题就是谐波的问题，为什么谐波的问题如此突出，谐波源大量出现对于我们的电气系统设计有什么影响？

杨继深：主要是因为谐波产生于非线性负荷，而整流电路是一种最主要的非线性负荷。而现代负荷几乎都包含整流电路，因此谐波电流非常普遍。谐波源负荷的大量涌现，注定了传统的电路设计方法不再适用。

首先，无功补偿量计算发生了巨大变化。整流电路并不需要补偿无功，如果仍然按照传统的方法设计无功补偿量，轻则导致无功补偿装置闲置无用，重则导致无功过补。

另外，无功补偿装置中的电容必须要采取去谐振处理，否则在某次谐波电流的频率上，电容会与系统阻抗发生谐振，谐振的结果是将谐波电流放大，使流过电容和系统的电流骤然变大，不仅会导致电容过热损坏，还可能导致变压器过热，甚至损坏。

导线的截面积也要根据谐波含量进行放大。特别是在三相四线配电系统中，如果没有采取控制谐波的措施（例如，在负载端使用谐波滤波器，或者在变压器下端安装零线谐波电流阻断器），零线的截面积要为相线的2倍。

继电保护器等装置的容量也要适当放大，因为在有效值一定的情况下，谐波电流的峰值可能会达到正常电流峰值数倍。对于检测峰值电流继电保护装置而言，就会出现误动作。

谐波电流对电网危害主要表现在四个方面：第一，会导致电网容量下降，变压器和电缆过热。第二，导致电压畸变，使其他电子设备受到影响。第三，导致零线过热，造成火灾的隐患。第四，导致继电保护装置意外动作。

《电器工业》：对于谐波治理，从工业制造系统的角度，与从电网的角度，两者关注点有什么不同？提高谐波质量的技术在这两个方面又有何不同？

杨继深：很简单，两者的目的不同。从工业制造系统的角度，关注点在于怎样保证工业制造系统的可靠、稳定运行，使其不要受到谐波的影响。从电网的角度，关注点在于怎样保证公共电网的质量，避免使其他用电客户受到谐波的影响。

显然，作为企业，属于前者。作为电网公司，属于后者。实际上，过去企业从事谐波治理是被动的，也就是说，是单纯为了满足电力公司的要求而采取谐波治理。为了实现这个目的，所采取的技术方案往往仅使电网公司获得利益，而自己的企业丝毫没有利益。因此，我们主张，企业要主动起来，在进行谐波治理时，不仅满足电网公司的要求，还要兼顾自己企业的利益，使投资发挥最大的效益。

提高谐波质量的技术在工业制造系统和电网这二者间主要是技术方案不同。从工业制造系统的角度关注时，尽量在下游治理，也就是在谐波负荷的电源入线端进行谐波治理，这样非线性负荷就如同线性负荷一样，不向电网注入谐波电流，可以保证企业内部电网的稳定可靠。而当内部电网改善后，电力公司所关注的公共电网的质量自然就得到了保证。从电网的角度关注时，尽量在上游治理，一般在企业的电网接入点处治理，保证这个点的电能质量满足电网公司的要求。

虽然在非线性负载的电源入线端治理谐波是最好的方案，但是这种方案可能成本较高，根据实际系统情况，可以采用灵活的方案，也就是综合治理。

谐波的综合治理按照以下原则进行：

1) 对于功率较大（例如22kW以上）的谐波源（变频器、UPS、中频炉等），在这些设备的电源入口处治理；

2) 在分配电柜，根据谐波电流的大小，决定是否需要采取治理，如果谐波电流畸变率超过20%，建议进行治理，使其达到10%以下；

3) 在总配电柜（变压器的下端），根据谐波电流的情况，决定是否需要进行治理，通常，以电网公司的标准作为依据，如果谐波电流超过标号要求，就进行治理，否则不用治理。

在进行综合治理的设计时，主要是注意滤波器的选择。在谐波源设备的电源入口处安装的设备，必须是专用的设备级滤波器。在分配电柜以上的各处安装的滤波器要选择适合于母线安装的滤波器。

《电器工业》：您提到变频器产生的各种副作用中，大家对谐波电流发射和电磁干扰体会比较深，请您详细谈谈变频器对电机的损伤问题？而对变频器产生的这些危害该如何预防呢？

杨继深：变频器通过PWM电压驱动电机，这会损伤电机的定子绕组绝缘和电机的轴承。这两种损伤是变频器导致的必然结果，只是有些场合比较明显（电机的寿命明显缩短），有些场合不是很明显。

一般，功率较小的电机容易发生定子绕组损坏的情况。功率较大、电压较高的电机容易发生轴承损坏的情况。而一般销售变频器的厂家会回避这些危害的介绍，所以很多人对此不了解。结果，安装变频器节省的电费支出，被额外的设备维修、停工停产的损失所吞噬。

所以，使用变频器时，一定要在变频器的输出端安装合适的滤波器来解决这个问题。目前，变频器厂家推荐在变频器的输出端安装一只电抗器，这对于保护电机微小的效果，要完全解决变频器对电机的损伤问题，可以安装正弦波滤波器。正弦波滤波器将PWM电压波形转换成正弦波波形，使电机工作在与工频电压相同的状态下，就消除了电机损伤的问题。

关于变频器对电机损伤问题讨论也是我们的电能质量与节电技术培训课程的重要内容之一。

《电器工业》：请您谈谈提高电能质量，对整个电工行业特别是发输配用电

领域有怎样的影响？

杨继深：应该说具有举足轻重的影响。如果不提高电能质量，工业现代化、科学技术现代化就不能实现。这种说法绝不是耸人听闻。因为，现代化的核心就是电子化和信息化，而这些设备对于电网的质量十分敏感。如果不能保证电能质量，就不能保证这些系统的可靠运行，也就实现不了现代化。

目前最常见的电能质量问题有三个，谐波、浪涌电压和电压骤降，其中由于非线性负荷的大量使用，谐波的问题最为突出。典型的非线性负荷是变频器、中频炉、计算机为代表的信息设备、高效发光设备（节能灯、LED显示屏）。谐波的危害主要是使配电系统不稳定(以外跳闸)甚至故障（变压器过热、电缆过热、无功补偿装置烧毁等），其中，信息设备和节能灯、LED显示屏等产生的三次谐波电流所导致的零线电流过热问题是极大的电气火灾隐患。

随着电子信息设备、自动控制设备的广泛应用，浪涌电压的问题也日益突出。浪涌电压产生于雷电和电气负荷的通断，其中前者占20%，后者占80%。浪涌电压会导致电子设备的误动作，寿命缩短，甚至硬件损坏。

解决电能质量问题从两个方面入手，一个是控制电能污染源，主要的内容是控制谐波电流发射。另一个是对被污染的电能进行净化，消除浪涌电压，稳定电压。

《电器工业》：2012年国务院颁布了《节能减排“十二五”规划》，提出“风机、水泵、空压机、变压器等新增主要耗能设备能效指标达到国内或国际先进水平”。您认为当前我们在节能减排方面与国外有怎样的差距，今后的努力方向是什么？

杨继深：电机的节电主要有两个途径，一个是使用变频器调整电机的功率，消除被浪费的功率，另一个是使用低损耗的铁心材料制造电机。降低变压器的损耗也是主要采用非晶材料作为铁心，降低损耗。我认为，我们与国外的差距主要有三个方面。第一，非晶材料还没有普及，这限制了高效变压器和高效电机的普及。第二，公众缺少节电方面的知识，加上一些公司有意误导，很少能够提供一个符合科学原理、经济有效的节电方案。第三，变频器节电简单、有效，但是对其产生的电磁干扰，包括谐波干扰和射频干扰，变频器对电机的损伤等问题，缺少配套解决方案。尽快解决上述问题，就是我们今后努力的方向。