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、iB 3、iC 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i2样本③电容器电流i3样本④补偿后的相电流i 4即i 4=i 2+i3样本⑤i 0=i A 4+i B4样本⑥i A 4+i B4+i C2样本⑦i 0=i A 4+i B2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 C2样本10i 0=i A 4+i B 4+i C2样本1i 0=i A 4+i B 2+i C3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 ②使用镇流器的电压频谱图及数学表达式u L =2[165.4sin(ωt+22)+33.6sin(3ωt+23)+15sin(5ωt -100)+……](V) ③灯管电压的频谱图数学表达式(样本①)u lp =2[93.7sin(ωt -45)+32.3sin(3ωt -162)+17.2sin(5ωt+86)+……](V) ④灯管电流的频谱图及数学表达式(样本②)i 2=2[347sin ωt+54sin(3ωt+145)+……](m A) 用GXF-980C 电力谐波分析仪分析谐波。
从谐波图④、⑤、⑥可见,并联电容虽然使功率因数提高,但谐波被放大。
本研究采集的基准样本,可以存入计算机中,对气体放电给电力系统带来的谐波污染,实施在线检测和适时控制。
本文对各样本实测其电流有效值,以满载相电流样本④为基准值,列表如下:样本序号23456789101112标么值10.730.550.850.880.880.380.380.881.981.3025第9卷第4期照明工程学报 ⑤电容支路电流频谱图及数学表达式(样本③)i3=2[286sin(ωt+146)+37si n(ωt-162)+27sin(5ωt-169)+……](m A) ⑥有电容补偿的相电流及数学表达式(样本④)i4=2[214sin(ωt+166)+39sin(3ωt+185)+44sin(5ωt+113)+……](m A) 测算它们的谐波含有率(H R)和谐波总畸变率(TH D)都超过国家技术监督局1993-07-31批准的中华人民共和国国家标准:G B/T14549-93《电能质量公用电网谐波》。
5 结 论(1)气体放电灯由于电光效率高,寿命长,显色范围宽,是第二代电光源,其发展前景广阔,而且一些高强度的气体放电灯是白炽灯无法比拟的。
(2)对气体放电灯电路的谐波样本的采集和谐波波形分析说明、气体放电灯谐波污染是客观存在,大量采用气体放电光源存在电力系统谐波污染的必然性。
(3)由于气体放电灯的非线性和工作在弧光放电区的负阻效应,随着大量采用气体放电光源,谐波污染会更严重,应引起电力部门的重视。
这种新的社会需要,必然推动新的科技发展。
(4)这些谐波样本的采集,为治理谐波污染提供了新的基础和适时治理办法,对电弧焊接和电弧炉的谐波治理有相关性和可比性。
(5)对感性负载,并联电容器可以提高线路的功率因数,但带来了谐波放大,致使谐波污染更为严重。
应该走出误区。
26照明工程学报1998年12月参 考 文 献[1] W .爱伦巴斯.方道腴等译,《光源》,轻工业出版社,1981年[2] 狄苏尔. A.葛守仁,林争辉等译《电路基本理论》人民教育出版社,1980[3] J . F.威谋斯.陈林堂等译《放电灯》轻工出版社,1983[4] 王连才等.《大量采用气体放电灯使中线电流超大的理论分析》,(LS :7)论文集,1995[5] John W iley &S onsled .A rrillag a Pow e r Sy ste m H ar m on ics .1985[6] 周勇.《电网谐波分析》,1995The Study of t he H ar m on ic Pollution in C ircu itby U sing Gas D ischarge La m psW ang L ancai L i X i aoning Q i n K e ji ng W ang x i n ta i(Zheng Zhou U n ive rsity o f T echon loge)AbstractT he discharge la m p suply ed by pow e r sy ste m are non-linear ele m en t o f cu rren t con tro l .It w o rks in the sco pe o f arc discharge ,w ith a rprope rty o f de scent V o lt and Am p rer,thu s appea rance o f o scilla ti n g w av e shape ,strong o r w eak a lternative ly .It is a sou rce o f h ar m on-ic .In th is artic le ,the h ar m on ic w ave sa m p les have been co llected a t a ll spo ts by u se o fM o-m o ry O scillo m rte r and ana ly ze red by u se o f H ar m on ic W ave M e ter .T he TH Du,TH D i andthe H R all ex ceed the state standard se t .So the m o re discharg e la m ps u sed,the m o re har-m o nic po ll u tion p roduced .It has a lready g iv en an adv erse i m pac t to the qua lity o f pow e r sup-p ly i n public ne t w o rk.T he H ar m on ic sam p les w ill be used fo r on -li n e m easu re m en t and real -ti m e con tro l o f ha r m o nic po llu tion .K eyW ords :d ischa rg e la m ps h ar m onic po llu ti o n sa m p les 27第9卷第4期照明工程学报。