有源濾波器在機場助航燈光系統(tǒng)中的諧波分析與治理方案

徐霜

安科瑞電氣股份有限公司，上海 嘉定，201801

    0　引言

    機場助航燈光系統(tǒng)是目視助航設施中一個非常重要的組成部分，它通過高（中）光強不同顏色的燈光系列，勾勒出一個機場的跑道、滑行道及進近區(qū)域的主要特征，在夜間或能見度不好的情況下提供飛機駕駛員一個明確的目視信息。助航燈光系統(tǒng)的供電等級屬于一級負荷中的特別重要負荷，關系到飛機的安全運行，通常在跑道附近的安全區(qū)域內(nèi)設置一座或兩座燈光變電站，專供燈光及導航設備用電。各種類型的助航燈具設置在跑道和滑行道上或道肩上，屬于場外燈具，供電線路較長，國際民航組織推薦使用串聯(lián)的供電方式，為保證在串聯(lián)電路供電的情況下，有個別燈具故障而不至于造成整個回路中所有燈具都不亮，每個燈具前必須設置隔離變壓器。同時，燈光系統(tǒng)要求采用三至五級的調(diào)光，其調(diào)光器以可控硅為主。因此，在燈光系統(tǒng)的實際運行過程中，會產(chǎn)生大量的諧波。

    1　諧波的危害

    隨著科技的進步，技術的發(fā)展，節(jié)能和自動化設備的應用越來越廣，容量也日益擴大，雖然這些設備能起到很大一部分節(jié)能降耗的作用，但是其產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染，以及電磁干擾等，可能會進一步影響系統(tǒng)中的其他用電設備，也帶來了危害。

    供電系統(tǒng)諧波的定義是：對周期性交流量進行傅立葉級數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics)或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。 向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。

    電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴重，給電力系統(tǒng)和各類用電設備帶來危害，諧波會增加電氣設備的熱損耗，如對變壓器來說，鐵芯產(chǎn)生熱損耗，尤其是渦流損耗大，在變壓器繞組中有諧波電流，在鐵芯中感應磁通，產(chǎn)生鐵損。諧波還會干擾電子設備，使信息發(fā)生失真，可對信息系統(tǒng)產(chǎn)生頻率藕合干擾。諧波電流在高壓架空線路上的流動除增加線路損耗外，還將對相鄰的通訊線路產(chǎn)生干擾影響。諧波輕則增加能耗，縮短設備壽命，影響系統(tǒng)的運行效率，重則損壞設備，造成用電事故，甚至危害電力系統(tǒng)的安全運行。因此，消除諧波污染，把諧波含量控制在允許范圍內(nèi)是非常有必要的。

    2　助航燈光產(chǎn)生的諧波分析

    目前，電力系統(tǒng)中的諧波源，不但類型多，而且分布廣，用戶電網(wǎng)中的諧波電流可能來自本身的非線性設備，也可能來自外部線路，具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設備，交流控制器、變壓器、晶閘管串級調(diào)速的風機水泵和冶煉電弧爐等。如不加以區(qū)分將給諧波治理造成困難。

    在機場助航燈光系統(tǒng)中，為了達到有效的調(diào)光效果，目前世界上通常采用可控硅恒流調(diào)光器(CCR）。恒流調(diào)光器的工作原理是：用反并聯(lián)的可控硅調(diào)節(jié)器，對一臺升壓變壓器進行供電。由一個數(shù)字調(diào)節(jié)器確定可控硅導通角，以便將輸出電流調(diào)整到一個基準值。該基準值隨著所選定的光級而變化。在此前提條件下，恒流調(diào)光器的輸出電流要求保證為一個恒定值，一級光為2.8A，二級光為3.4A，三級光為4.1A，四級光為5.2A，五級光為6.6A。恒流調(diào)光器的功能還在于當負荷在二分之一額定負荷到滿負荷的范圍內(nèi)變化，在30%的隔離變壓器次級開路的情況下維持恒定的電流輸出，變化不大于正負2%。這個可控硅調(diào)節(jié)器和升壓變壓器就是助航燈光的主要諧波源。

    在進行諧波治理之前，必須要了解電網(wǎng)中諧波的次數(shù)及其含量，即必須進行諧波的測試。諧波測量是諧波問題的一個重要環(huán)節(jié)，它也是諧波問題研究的主要依據(jù)。我們在上海虹橋機場東跑道北燈光站進行了諧波檢測。針對北燈光站兩臺變壓器的低壓進線側、跑道邊燈回路2、滑行道中線燈回路3的調(diào)光器進線側進行了電能質(zhì)量等各項數(shù)據(jù)的測量和采集。（測量點位見圖1）

圖1 測量點位簡圖

    具體測量情況如下：

    測量點1 ：北燈光站進線乙的變壓器低壓側，電容柜投切前后，實時測量 1 級光至 5 級光時的情況；

    測量點2 ：滑行道中線燈回路 3 調(diào)光器進線側，實時測量 1 級光至5 級光的情況；

    測量點3 ：北燈光站進線甲的變壓器低壓側，電容柜投切前后，實時測量 1 級光至 5 級光的情況；

    測量點4 ：跑道邊燈回路2 調(diào)光器的進線側，實時測量 1 級光至 5 級光的情況；

    1）主要諧波源——調(diào)光器（以測量點1為例）

電壓波形　　　　　　　　　　　　　　　　　電流波形

A相電壓、電流對比波形　　　　　　　　　B相電壓、電流對比波形

C 相電壓、電流對比波形　　　　　　　　 　　　諧波柱狀分布圖

    從上圖的對比中可以看出：電壓波形畸變很小，而電流波形畸變率非常嚴重，這是由于大量高次諧波疊加導致正弦波出現(xiàn)嚴重畸變。

    從諧波柱狀分布圖可知可控硅恒流調(diào)光器諧波電流的頻譜范圍很寬，除3、5、7、9、11 和13 次以外，還存在15、17、19、25、29、31 和34 次等更高次諧波。電容柜切除情況下的數(shù)據(jù)匯總見表1

    表一：測量數(shù)據(jù)匯總（切除電容柜數(shù)據(jù)）

    3　治理措施

    3.1 諧波治理方案的選擇