气体放电灯对电路的谐波污染_王连才

气体放电灯对电路的谐波污染

王连才　李小宁　秦克敬　王长太

(郑州工业大学　450002)(河南省建筑设计院)摘　要:气体放电灯是电流控制的非线性电路元件(如图1)。它工作在弧光放电区,是下

降的伏安特性。必然产生弛张振荡,是一个谐波源。

在电路各谐波采集点采集谐波样本,用记忆示波器记录波形,用谐波分析仪

分析样本,其THD u 、T HD i 、HR 等都严重超标。可见若大量采用气体放电灯而不

采取必要措施,就会给电路带来谐波污染,影响公用电网的供电质量。本研究采

集的谐波样本,可用于谐波污染的在线检测和适时控制

关键词:气体放电灯　谐波污染

1　前 言

气体放电灯的电光效率高、寿命长,通常是白炽灯的4～6倍,这些优点使气体放电灯从本世纪40年代以来,得到迅速发展,出现了很多品种,以适应各种不同的照明需要。如高强度的气体放电灯是白炽灯不能比拟的。正如一切事物都存在两面性一样,气体放电灯在发展中也存在一些需要克服的问题。仅就电路来说,谐波污染将是一个制约气体放电灯应用的因素。

随着气体放电灯的大量采用,带来的谐波污染,已引起了电力系统有关方面的关注。气体放电灯电路本身存在产生谐波和谐波放大的条件:

图1　气体放电灯的伏安特性1.1　气体放电灯工作在弧光放电区,具有下降的伏安

特性(如图1),即通常说的负阻特性,其本身就存在产生谐

波的条件,使弧光放电的电压出现弛张振荡。如样本①及谐

波分析(③)。

1.2　为了使工作负阻区的电弧稳定,若采用铁芯电感

镇流器,这又引入了谐波(如谐波分析②)若使用普通电子

镇流器,谐波也较复杂。

1.3　为了提高电路的功率因数,采用铁芯电感镇流器

时,并联电容器,虽然电路功率因数提高了,但是谐波被放

大了。如样本④及谐波分析⑥。

1.4　三相电力系统的各种不对称使非线性负载谐波愈加复杂。已经影响到电网的供电质21

第9卷第4期气体放电灯对电路的谐波污染 本文是河南省自然科学基金资助项目

量。其谐波总畸变率(TH D u 、TH D i )和谐波电压含有率(H R )都超过国家标准:G B /14549-93。

谐波给电力系统带来的危害主要是:①产生附加损耗,增加设备的温升;②产生局部放电,增加潜供电流;③产生机械振动和噪声;④引起谐波的放大和谐振;⑤使继电保护和自动装置产生误动作;⑥引起电能计量的误差;⑦对通讯系统产生干扰等。有关这些方面的研究已有专著,本文不再赘述。

本文对气体放电灯电路各谐波采集点用7201-A 型记忆示波器采集谐波波形样本。用GXF-980C 电力谐波分析仪,分析对比样本谐波成份,客观、真实的实测波形展示,以提出谐波污染的严重性。

由于气体放电灯的大量采用,(若不配用高性能镇流器)它的谐波污染,必将危害到公用电网的供电质量。因此,本文的研究说明:虽然气体放电灯有前述的诸多优点,就目前所配套的镇流器技术水平,在一个大的区域里,照明全部采用气体放电灯不适宜。因为部分的忧化,还不是供电系统的优化。此外,电弧焊接、电弧炉等气体放电的电器设备,他们的谐波分析,也与本文谐波分析相关,都会成为公用电网的谐波源。

2　气体放电灯电路的谐波样本采集点及说明

气体放电灯是电流控制的非线性器件,所以采集电流样本。为了叙述简捷,我们在电路图上,用数字标出谐波采集点(如图2和图3),给气体放电灯供电的电源是交流220V 、50H z 工频电源(如谐波分析①)

。

图2　气

体放电灯的工作电路图3　三相四线制供电线路图

样本采集点及样本编号说明:

灯电流的波形为样本②在三相供电系统中分别以i A 2、i B 2、i C 2、表示A 、B 、C 三相中的灯电流。

补偿电容的电流波形为样本③在三相供电系统中分别以i A 3、i

B 3、i

C 3表示A 、B 、C 三相中的电容电流。

补偿后的相电流为样本④在三相供电系统中分别以i A 4、i B 4、i C 4表示A 、B 、C 三相中的相电流。所以i A 4=i A 2+i A 3

样本④等于样本②和样本③的矢量和。

样本⑤是A 相和B 相的中线电流,即i 0=i A 4+i B 4。由于是完全相同的负载,其有效值应等于i A 4或i B 4。但因为A 、B 、C 的相位差异,所以样本④与样本⑤仍有细微差异。22照明工程学报1998年12月

3　

气体放电灯电路的谐波样本

样本①

灯管电压样本②灯管电流i

2

样本③电容器电流i

3样本④补偿后的相电流i 4即i 4=i 2+i

3

样本⑤i 0=i A 4+i B

4样本⑥i A 4+i B4+i C

2

样本⑦i 0=i A 4+i B

2样本⑨i 0=i A 4+i B 4+i C 4

样本⑧为无电容补偿的三个相同负载的中线电流即i 0=i A 2+i B 2+i C 2,是三次谐波它们的基波成分已在三相对称平衡中加和为零。

23

第9卷第4期照明工程学报

样本⑧i 0=i A 2+i B 2+i C

2样本10i 0=i A 4+i B 4+i C

2

样本1i 0=i A 4+i B 2+i C

3样本12i 0=i A 4+i B 3+i C 2

样本⑨为有电容补偿的三个相同负载的中线电流即i 0=i A 4+i B 4+i C 4,对比样⑧和⑨可知:电容补偿将谐波放大,由谐波分析④、⑤、⑥的数据进一步验证谐波被放大。

样本11是理论推导最大的中线电流即i 0=i A 4+i B 2+i C 3(686/347=1.98)是满载相电流的2倍,当然这是一种人为设计的最大中线电流,理论推导和实验一致,是一种运行中的极限情况,实际运行中很难遇到,概率极低。

4　气体放电灯电路的谐波分析

本文采用7201-A 型记忆示波器,对上述谐波采集点,采集谐波样本。对谐波的分析,用GXF-980C 电力谐波分析仪,将采集的样本输入,得到各次谐波的含量U H 、I H 和总谐波畸变率TH D u 、TH D i 。

①使用工频电源的频谱图及数学表达式

u =2[220.4sin ωt+2.68si n (3ωt+76)+2.17sin(5ωt+138)+……](V

)24照明工程学报1998年12月