低压断路器检测用谐波源的分析

谢迪，王振龙

(中认(沈阳)北方实验室有限公司，辽宁　沈阳　110141)



低压断路器检测用谐波源的分析

谢迪，王振龙

(中认(沈阳)北方实验室有限公司，辽宁沈阳110141)

为满足低压断路器谐波抗扰度试验的要求，根据低压断路器检测用谐波源的设计要求，通过对标准的分析以及理论计算得出相关参数。并通过示波器对实际输出波形进行采集与分析，证明所设计的谐波源的各项指标均满足试验的标准要求，为谐波源的实现提供了理论基础和事实依据。

低压断路器；谐波抗扰度试验；谐波源

1　引言

低压电器及控制设备随着科技的发展逐渐智能化，相较于老式的机械储能低压电器，新生一代的产品具有监控精确、保护动作灵敏、自动恢复等诸多优点。在这种产品的技术不断发展过程中，逐渐引入了采样控制电路，因此受到谐波干扰的问题随之而来。加之其广泛应用于许多重工业高风险的生产过程中，并且在电力系统中作为保护和控制的关键部件，其保护特性若受电网谐波的影响，会导致电力系统保护误动作，造成严重后果。因此，研究电网谐波对断路器动作特性的影响，对于保证电力系统安全运行具有重要的理论意义和实用价值。为此，低压电器GB14048.2标准中，对低压断路器的谐波抗干扰水平进行了严格的要求。本文通过对标准中对试验用谐波源的要求进行分析与理论计算，实现符合标准要求的测试谐波源。

2　谐波的产生

从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波。在只含线性元件(如：电阻)的简单电路中，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。谐波产生的原因主要有：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。断路器主要受到的谐波干扰主要来自于电力系统、在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于使用非线性负载。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器会呈现比较大的背离正弦曲线波形。

3　谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的其他设备产生干扰。谐波的危害十分严重。谐波会导致电能的生产、传输和利用等环节的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，缩短其使用寿命，甚至发生故障或烧毁。谐波还可以引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

在断路器的使用过程中，谐波会对其产生很大影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，致使断路器的遮断能力降低，无法遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流。在中压断路器截断电感电流时，可能发生谐频涌波电压和重燃现象，导致断路器触头烧损。因此，在GB14048.2标准中对于断路器的抗谐波能力有严格要求。标准规定谐波抗扰度试验电流波形，应由下列两种方案之一组成：

(1)方案①：依次采用两种波形：①由基波和3次谐波构成的波形，且波形应满足：72%基波分量≤3次谐波≤88%基波分量，峰值系数为2.0±0.2；②由基波和5次谐波构成的波形，且波形应满足45%基波分量≤5次谐波≤55%基波分量，峰值系数为1.9±0.2。

(2)方案②：由基波和3次、5次、7次谐波分量组成的波形。对每个周期，试验电流由两个大小相等且极性相反的半波构成：对每半波电流，导通时间≤21%周期；峰值系数≥2.1；3次谐波>60%基波分量；5次谐波>14%基波分量；7次谐波>7%基波分量。

验证误脱扣抗扰度试验(0.9倍电流整定值)的持续时间应为相应2倍电流整定值的脱扣时间的10倍。

4　实现方法

根据标准中的要求，本文对方案②波形进行研究并实现。根据标准的要求分析得到，如此要求其目的就是降低均方根值，以得到较高得峰值系数。峰值系数为电流峰值与均方根值(也就是有效值)之比，当电阻值一定且为纯阻性的时候，可等效为电压的峰值系数。

以标准正弦波为例，电压：220V，频率：50Hz。

图1　标准正弦波形

(1)

当使用组合波时，如果3、5、7次谐波导通相位均为0，由于大多数设备所能提供的谐波分量最高只能到基波的50%，为了能够达到标准中的3次谐波相对含量达到基波的60%、5次谐波相对含量达到基波的14%、7次谐波相对含量达到基波的7%，因此只能降低基波的发射含量，将设备的基波降到原有的80%，这样谐波的相对含量就可达到标准中的要求。这里取3次谐波为50%，换算到标准要求为62.5%﹥60%，满足要求；取5次谐波15%，换算到标准要求为18.75%﹥14%，满足要求；取7次谐波10%，换算到标准要求为12.5%﹥7%，满足要求。波形及谐波如图2、图3所示。

图2　3、5、7次谐波导通相位为0时理论波形

图3　3、5、7次谐波导通相位为0时谐波

为验证波形输出有效，由示波器锁定输出图像，如图4所示。

图4　3、5、7次谐波导通相位为0时实际输出波形

经过计算，此时峰值系数为1.45，不符合要求。为此改变谐波导通相角，将3、7次谐波相角由0变为180，5次谐波不变，如图5、图6所示。

图5　3、7次谐波导通相角为180时理论波形

图6　3、7次谐波导通相角为180时谐波

经过计算，此时峰值系数为2.2，谐波幅值分量比不变，完全符合要求。由示波器锁定输出图像，如图7所示。

图7　3、7次谐波导通相角为180时实际输出波形波形

5　结语

为满足GB 14048.2-2008《低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》中对低压断路器谐波抗扰度试验的要求，经过对标准的分析及理论计算，得出相关参数。并通过示波器对实际输出波形进行采集分析，证明所设计的谐波源的各项指标均满足标准要求，为低压断路器谐波测试的有效进行提供了理论基础和事实依据。

[1]GB 14048.2-2008低压开关设备和控制设备第2部分：断路器[S].

[2]翟国富，刘维扬，许峰，等.电网谐波对断路器动作特性影响的研究[J].哈尔滨工业大学学报，2002,34(2).

[3]滕成龙，丁志东，蒋呜，等.低压断路器检测用谐波源的建模和仿真术[J].低压电器,2013(15).

Analysis of Harmonic Source for Low Voltage Circuit Breaker Test

XIEDi,WANGZhen-long

(CQC North Laboratory，Liaoning Shenyang 110141)

In order to satisfy the requirements of low-voltage circuit breaker harmonic immunity test,the parameters were calculated by analyzing the standard and theoretical calculationaccording to the design requirements of harmonic source for low-voltage circuit breaker test.The results of collection and analysis of the actual output waveform by using oscilloscope is provided that the designed harmonic source meet the test requirements of the related standard.And the theoretical and factual basisof how to realize theharmonic sourceis also provided.

low-voltage circuit breakers;harmonic immunity test;harmonic source

1004-289X(2016)02-0073-03

TM56

B

2015-03-11

谢迪(1981-),女,研究生学历,硕士学位 工程师,主要从事机电产品的安全与电磁兼容检测研究。