作者：Steven Keeping

投稿人：DigiKey 北美編輯

電費成本一般會占到水處理廠運營預算的 40%，因此，工廠必須以最高效率運行。然而，工廠的水泵、電機驅(qū)動器、照明設備和壓縮機一直受到諸如諧波失真、電壓缺口、電壓驟降和暫升以及電氣噪聲之類電能質(zhì)量 (PQ) 問題的影響。這些電能質(zhì)量問題會導致效率低下、停機和設備損壞。

電能質(zhì)量問題緩解設備可解決水處理廠的問題。驅(qū)動隔離變壓器、硬接線穩(wěn)壓器、電力線調(diào)節(jié)器、浪涌保護裝置 (SPD) 和有源跟蹤濾波器等產(chǎn)品可提高效率、防止停機并保護寶貴的電力資產(chǎn)免受損壞。

本文簡要介紹了水處理廠電氣設備設計人員面臨的電能質(zhì)量問題。然后介紹了 [SolaHD] 的電能質(zhì)量問題緩解設備，這些設備可用于緩解這些問題并最大限度地提高效率。

電能質(zhì)量問題

雖然水處理廠的能源供應總體上是可靠的，但電能質(zhì)量問題經(jīng)常出現(xiàn)。此類問題表現(xiàn)為不必要的諧波失真、電壓驟降和暫升以及電氣噪聲。

水處理廠的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)可能來自雷電等外部來源，也可能來自電氣設備本身等內(nèi)部來源。例如，當非線性負載以脈沖方式消耗電流時，質(zhì)量較差的變速驅(qū)動器就會產(chǎn)生諧波失真（圖 2）。諧波迫使導體承載 60 赫茲以外的非標準頻率電流。

圖 2：當非線性負載以脈沖方式汲取電流，并迫使導體承載 60 赫茲以外的非標準頻率電流時，就會產(chǎn)生諧波。（圖片來源：SolaHD）

通過在電壓正弦波的特定點（而非整個正弦波）上產(chǎn)生非線性電流，電氣設備會產(chǎn)生基頻整數(shù)倍的諧波頻率。低頻諧波（如 180 Hz、300 Hz 或 420 Hz）是由流經(jīng)電力系統(tǒng)的低頻電流失真和相移電流引起的。高頻諧波（1 kHz 至 3 kHz）是由大功率、非線性電子開關負載中的大電流開關引起的。

另一種諧波現(xiàn)象，即電壓缺口，是由直流電機驅(qū)動器、電機啟動器和電源等水處理設備中的電流整流器開關引起的。電壓缺口通常是由硅控整流器 (SCR) 中的換向操作造成的。在電流從一個導電 SCR 傳輸?shù)搅硪粋€ SCR 的短暫時間內(nèi)，會產(chǎn)生短路。新的 SCR 開始導通，而之前的 SCR 則繼續(xù)短暫導通。這會導致相位短路，通常持續(xù)幾微秒 (μs)，足以降低電壓。電壓缺口可能發(fā)生在交流半周期的任何時刻，因為換向角度并不是恒定的，它會隨著負載要求的變化而變化。

雖然電能質(zhì)量問題有多個外部和內(nèi)部來源，但約 80% 是由電壓驟降造成的。IEEE 將電壓驟降定義為低于 60 赫茲正常電壓 10% 至 90% 的電壓下降。驟降事件的持續(xù)時間一般少于 60 秒 (s)，但會多于 8 毫秒 (ms)（圖 3）。

圖 3：電壓驟降是指電壓降低 10% 至 90%，80% 的電能質(zhì)量問題都是由電壓驟降造成的。（圖片來源：SolaHD）

雖然電壓暫升發(fā)生的頻率低于電壓驟降，但它們同樣會帶來麻煩。電壓暫升是一種過壓情況，電壓水平會在半個頻率周期到幾秒鐘內(nèi)暫時上升（圖 4）。這些干擾可能是由于水處理廠關閉大型設備負載或功率因數(shù)校正 (PFC) 電容器切換等其他事件造成的。

圖 4：電壓暫升是指電壓水平暫時上升，持續(xù)時間為半個頻率周期至幾秒鐘。（圖片來源：SolaHD）

其他電壓問題和噪聲

電氣設備和配電系統(tǒng)會帶來其他電壓問題，包括瞬態(tài)電壓、中斷和不平衡。瞬態(tài)電壓亦稱電壓尖峰，是電壓的大幅上升，持續(xù)時間只有幾微秒（圖 5）。雷擊、機械開關、電容器或電容器組開關、電力系統(tǒng)在故障后重新通電、變壓器開關以及某些設備的突然停機都是瞬態(tài)的來源。

圖 5：瞬態(tài)是電壓的大幅上升，持續(xù)時間只有幾微秒。（圖片來源：SolaHD）

電壓中斷是指供電中斷，持續(xù)時間從幾秒到幾十秒不等。超過五秒鐘的中斷通常被稱為持續(xù)中斷。典型原因是電力公司的發(fā)電或配電網(wǎng)絡發(fā)生事故或設備故障。

電壓不平衡是三相系統(tǒng)最常見的問題之一。正常的平衡狀態(tài)是三相電壓大小相同，相位角相差 120°。如果與其他相位相比，某一相位的負載過重，該相位的電壓就會降低，從而導致不平衡。

任何設備在開啟或關閉時，都會因電壓或電流的流入或流出而產(chǎn)生電氣開關噪聲。噪聲會產(chǎn)生快速的電壓變化，從而產(chǎn)生不良影響或損壞電子電路（圖 6）。

圖 6：電氣噪聲會產(chǎn)生快速的電壓變化，從而損壞電子電路。（圖片來源：SolaHD）

電能質(zhì)量問題對工廠設備的影響

電能質(zhì)量問題有多種表現(xiàn)形式，會影響水處理廠設備的效率、可靠性和使用壽命。例如，諧波會影響整個水處理廠的設備，使中性線和變壓器過熱、斷路器跳閘、中性線電流過大、降低系統(tǒng)容量，甚至使電氣接頭松動。

電壓缺口會產(chǎn)生高頻諧波，從而損壞水處理設施中敏感的邏輯和通信電子設備。此外，缺口產(chǎn)生的額外電流會使電磁干擾 (EMI) 濾波器和線路濾波器過載。此外，電壓缺口會增加 PFC 電容器的損耗，并導致工作溫度升高。

電壓驟降時會出現(xiàn)的問題包括使用交流電機的水泵在恒定扭矩負載下會消耗更多電流，降低效率，有時還會導致過載繼電器跳閘。

電壓暫升通常不會立即導致設備故障，但系統(tǒng)會因反復暴露在電壓暫升的環(huán)境中而承受過大壓力并被削弱。暫升還會導致斷路器和其他保護裝置誤跳閘。與電壓暫升有關的另一個問題是絕緣降級，這會引起火災，危及水處理廠的安全運行。

電力中斷會阻礙水處理廠的運行，并縮短電氣設備的使用壽命。此外，許多電機控制電路和過程控制系統(tǒng)在設計上并不能在電壓中斷后自動重新啟動。

電壓不平衡會導致嚴重的設備損壞。例如，當感應電機的電壓不平衡時，線路電流通常是電壓不平衡程度的幾倍。這意味著，電壓不平衡度為 5% 的電機可能會產(chǎn)生 20% 至 30% 的電流不平衡。額外的電流會在電機中造成電阻 (I^2^R) 損耗，導致溫度上升數(shù)十攝氏度。

對于水處理廠中的固態(tài)傳感器和控制器來說，電氣噪聲是一個嚴重的問題，因為它們的工作速度很快，功率水平極低。信號電壓越低，可容忍的噪聲電壓幅度就越小。

緩解電能質(zhì)量問題

諧波緩解可使用驅(qū)動隔離變壓器來實現(xiàn)，該變壓器具有三個基本功能：減輕電壓變化、降低驅(qū)動引起的接地電流和減少共模噪聲。變壓器必須能夠承受非線性負載的熱量。例如 SolaHD 的 [23-22-112-2] 驅(qū)動隔離變壓器，該變壓器的輸入電壓為 120 伏或 240 伏，輸出電壓為 120 伏，輸出諧波失真（輸入范圍內(nèi)滿載時）為總有效值的 3%。諧波的有效值或均方根值描述了諧波分量在一個周期內(nèi)的平均功率。

由于增加了中和線圈，驅(qū)動隔離變壓器的輸出幾乎沒有諧波（圖 7）。要了解其工作原理，可將該設備視為斷開中和線圈的傳統(tǒng)變壓器。當部分磁通量通過磁芯的中心腳到達外側(cè)腳時，現(xiàn)在開路的線圈就會產(chǎn)生感應電壓。由于輸出繞組的漏磁通，該電壓具有較高的奇次諧波含量。

圖 7：由于增加了中和線圈，23-22-112-2 驅(qū)動隔離變壓器的輸出幾乎沒有諧波。（圖片來源：SolaHD）

漏磁通可以通過兩條路徑返回輸出繞組。一條路徑繞過中和線圈，另一條路徑連接到中和線圈。通過控制這些磁路的磁阻，可以控制耦合到中和線圈的次級磁通量。中和線圈連接時其極性是疊加到次級線圈（或輸出線圈）的。

該隔離變壓器的輸出電壓恒定，幾乎完全沒有諧波。中和線圈中仍然存在諧波；但是，由于次級繞組的磁通會誘發(fā)這些諧波，因此每個線圈中的諧波相位大約相差 180°，從而抵消了諧波。

SolaHD 還提供用于減少諧波的 [63-23-125-4] 250 伏安 (VA) MCR 硬線穩(wěn)壓器（圖 8）。該穩(wěn)壓器提供 120 V、208 V、240 V 或 480 V 輸入電壓和 120 V 輸出電壓。輸出諧波失真（在輸入范圍內(nèi)滿載時）為總有效值的 3%。

圖 8：63-23-125-4 MCR 硬線穩(wěn)壓器的輸出諧波失真為總有效值的 3%。（圖片來源：SolaHD）

該硬線穩(wěn)壓器采用了 SolaHD 的鐵磁諧振變壓器技術。鐵磁諧振是一種變壓器設計技術，可在設備中創(chuàng)建兩個獨立的磁路，并限制它們之間的耦合。這種設計的一個優(yōu)點是，輸入電流中的諧波電流相對于基波電流來說可忽略不計。變壓器的輸出端采用并行諧振振蕩電路，從主設備汲取電能，以取代輸送到負載的電能。

鐵磁諧振變壓器形成一個非線性電路，利用諧振來降低電源電壓的變化，從而為負載提供更穩(wěn)定的電壓。

該變壓器的磁阻在超過一定磁通密度（飽和）時會突然發(fā)生變化。該變壓器允許一條磁路（諧振磁路）處于飽和狀態(tài)，而另一條磁路則保持不飽和狀態(tài)。以這種方式運行時，一次電壓的進一步變化不會改變飽和電壓或二次電壓，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓。

功率調(diào)節(jié)器用于保護關鍵工藝系統(tǒng)免受電壓驟降的影響。

具有抗驟降功能的穩(wěn)壓器和電源還能防止供電電壓下降。

電壓波動可以通過 SPD 來解決，SPD 可以安裝在檢修入口、分支面板或附近的專用敏感電子負載上。當電壓突變時，SPD 會將電流導入接地線。當瞬態(tài)脈沖超過閾值時，電源會有效地對地短路，而正常電流則不受影響。

SolaHD 的 [STCHSP121BT1RU] SPD（圖 9）可為交流電源和低壓信號線提供浪涌抑制。該抑制器具有共模和常模噪聲過濾以及金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 保護功能。瞬態(tài)響應時間小于 5 納秒 (ns)，最大浪涌耐受電流為 39 千安培 (kA)。SPD 還能防止雷擊等事件產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓，但不能取代全面的防雷系統(tǒng)。

圖 9：STCHSP121BT1RU SPD 抑制器具有過濾共模和常模噪聲以及 MOV 保護功能。（圖片來源：SolaHD）

噪聲緩解可以通過使用有源跟蹤濾波器（如 SolaHD[STFV025-24L] ）來實現(xiàn)。該裝置可持續(xù)跟蹤輸入交流電源線路，并在檢測到高頻噪聲時做出響應。該濾波器通過低通電感電容 (LC) 濾波器來消除低壓/高頻噪聲。LC 電阻器 (LCR) 濾波器則用于降低能耗、高頻噪聲。位于各相和中性線導體上的電感器的大小要能承受線路上的最大電流。STFV025-24L 的響應時間 <5 ns，典型 A 類環(huán)形波（6 kV、200 A、100 kHz）的瞬態(tài)降低 <10 V 峰值。

結語

防止電能質(zhì)量問題對提高效率、防止停機和保護寶貴的電力資產(chǎn)不受損害至關重要。這些問題包括諧波失真、電壓驟降和暫升、瞬態(tài)電壓和電氣噪聲。處理這些問題需要采取多層次的方法。與 SolaHD 這樣能夠提供一系列保護裝置（包括驅(qū)動隔離變壓器、硬線穩(wěn)壓器、電源調(diào)節(jié)器、SPD 和有源線路濾波器）的供應商合作，可以更容易獲得必要的保護。