演播厅调光系统低压配电柜跳闸故障分析

舞台灯光网摇头灯资讯更新时间：2010-7-2 16:41:28　编辑：慕梅　[ 大中小 ]

1、引言

　　为了实现电视节目制作及满足各类文艺演出活动的要求，我台为新建设的1200m2演播厅配备了由各种不同性能的灯具组成的灯光系统。灯光系统设计总功率1230kW。灯光系统供电线路设计时，根据设计规范，舞台灯光使用率一般在30%—60%。考虑到节约投资、控制成本，设计供电系统采用两台800kW变压器互为备份，为灯光系统供电。

2、闸故障的产生及故障分析

　　演播厅灯光系统安装结束后，在进行调试的过程中出现了灯光系统低压配电柜频繁跳闸的故障。技术人员观察发现：跳闸时调光灯没有开到最亮，经常是在灯光功率开到30%—40%时最容易出现跳闸，开到最大反而没有跳闸现象发生。经分析，跳闸的原因首先不是因为灯光开启后总功率超过供电线路功率引起；在排除了因配电系统设备问题及安装方面问题造成跳闸的因素后，认为是因为其他因素引起配电柜控制开关过流造成跳闸。分析认为，最有可能引起配电柜跳闸的因素是：调光系统产生的谐波造成配电柜控制开关过流。

　　在交流电网中，由于许多非线性电气设备的投入运行，如晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、气体放电类电光源、家用电器等，这些非线性电气设备在运行时，其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波，而是不同程度畸变的非正弦波。非正弦波是周期性电气量，根据傅立叶级数分析，可分解成基波分量和具有基波频率整数倍的谐波分量。谐波次数是谐波频率与基波频率的整数倍，其中三次谐波所占成分较大。在低压三相电力系统中，各相线所产生的谐波电流在中性线上互相不能抵消——利用数学方法可推算出偶次谐波电流在中性线上可相互抵消，而各相中的奇次谐波电流因起相位相同不仅不能抵消，反而会相互累加后以三倍于相线的电流通过中性线，使中性线电流大大超过其安全电流值，使电缆发热。

　　可控硅调光器是目前舞台照明、环境照明领域的主流设备，是一种典型的非线性电气设备。采用可控硅技术对照明系统进行控制，具有电压调节速度快，精度高．可分时段实时调整，有稳压作用，采用电子元件，相对来说体积小、重量轻、成本低等特点。

　　与传统的变压器、电阻器相比．可控硅调光器有着完全不同的调光机理．它是采用相位控制方法来实现调压或调光。对于普通反向阻断型可控硅，其闸流特性表现为：当可控硅加上正向阳极电压的同时又加上适当的正向控制电压时，可控硅就导通；这一导通即使在撤去门极控制电压后仍将维持，一直到加上反向阳极电压或阳极电流小于可控硅自身的维持电流后才关断。普通的可控硅调光器就是利用可控硅的这一特性实现前沿触发相控调压。在正弦波交流电过零后的某一时刻tl（或某一相位角wtl），在可控硅控制极上加一触发脉冲．使可控硅导通。根据前面介绍过的可控硅开关特性，这一导通将维持到正弦波正半周结束。因此在正弦波的正半周（即O-p区间）中，O-wtl范围可控硅不导通，这一范围称为控制角，常用a表示；而在wtl-p间可控硅导通，这一范围称为导通角，常用j表示。同理，在正弦波交流电的负半周．对处于反向联接的另一个可控硅（对两个单向可控硅反并联或双向可控硅而言）在t2时刻(即相位角wt2)施加触发脉冲，使其导通。如此周而复始，对正弦波每半个周期控制其导通，获得相同的导通角。如改变触发脉冲的施加时间（或相位）．即改变了导通角j（或控制角a）的大小。导通角越大．调光器输出的电压越高，灯就越亮。从上述可控硅调光原理可知，调光器输出的电压波形已经不再是正弦波了，除非调光器处在全导通状态，即导通角为180。（或p）。

　　对该周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解可知，可控硅调光过程中输出的负荷电压除含有与电源同频率的基波成分外，还含一系列频率为电源频率奇次倍的高次谐波。这些高次谐波向空中大量幅射，也会通过导线传导到其它负载，引起电源电压波形畸变。可见可控硅调压方式存在一个致命缺陷，由于斩波，使电压无法实现正弦波输出，还会出现大量谐波，形成对电网系统谐波污染，危害极大。

　　从我台灯光系统跳闸现象分析，正是电源电压波形畸变造成电网谐波污染，使灯光配电系统的设备出现许多异常现象和故障。

　　三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率．从而降低电网电压，浪费电网的容量。继电器在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用，产生误动或拒动，将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。

　　谐波电流输入供电变压器，将在绕组中产生趋肤效应和邻近效应，铁心磁饱和加剧。谐波电流流过绕组将产生附加损耗（铜损）．与铁心有关的铁损（涡流损耗和磁带损耗）亦明显增加。

3、解决方案

　　《剧场建筑设计规范》JGJ67-2001第6.4.6条中规定：由可控硅调光装置配出的舞台照明不宜采用多回路共用零线方式。采用每回路灯双线配，火线从调光柜引出，零线返到调光柜附近的汇流排，实践证明可有效抑制调光回路上产生的高次谐波磁场。《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92第8.4.11条中规定：采用可控硅调光的三相四线或二相三线配电线路．N线或PEN线的导线截面不应小于相线导线截面的两倍。这是因为，三次系列谐波是零序谐波，各相的三次系列谐波在中性线（N线）上的相位是相同的，它们在中性线（N线）上相互叠加，使中性线（N线）电流大于相线电流。试验表明，当可控硅移相调压至半压并满载输出时，中性线（N线）零序电流可为相线电流的1.86倍左右。

　　对于可控硅调光系统的变压器接线方式，《剧场建筑设计规范》JGJ67-2001第10.3.3条中规定：当舞台照明采用可控硅做调光设备时，其电源变压器宜采用接线方式为△/YO的变压器。由于△回路为不对称零序电流构成通路，零序磁通互相抵消，使三次谐波系列产生的变压器铁件热损失仅为变压器额定容量的0.024%左右，变压器可满载运行。

　　根据以上分析，我台聘请专业电力设施检测机构对我台调光系统的谐波情况进行了检测。检测报告表明，调光系统产生的谐波严重时，谐波电流高达500多安培，造成低压配电柜过流产生跳闸。要使我台调光系统能够正常使用，同时有效地抑制谐波注入电网，解决方案是加装谐波滤波器。

　　谐波滤波器是具有针对性的，仅对某次或某几次含量大的谐波进行吸收的装置。该装置由R.L’C等元件组成串联谐振回路，安装在整流变压器原边母线上，由于它对谐振的谐波电流呈现很小的阻抗，故能对谐波进行吸收，因而能有效地抑制谐波注入电网。

　　在可控硅的输出回路上加高频电感电容滤波器，使电流上升的时间从几微秒增至200微秒以上，这样可以大大降低高次谐波的分量。目前实际装置中大多采用L-C无源滤波器。它在吸收高次谐波的同时，还具有改善功率因数的功能。然而，由于调谐偏移及滤波器阻抗的存在，大大妨碍了滤波效果。而且．对于多种谐波电流，需分别设置多个L-C滤波支路，彼此相互干扰，可能顾此失彼。装设有源滤波器可弥补这些不足．但单独使用做补偿谐波时，其要求容量约为补偿对象容量的25—40%．成本高。

　　目前我台正在进行技术经济分析，根据谐波的严重性及危害程度，装设必要的L-C无源滤波器，有源滤波器或二者混和使用，从源头上减少谐波的对外干扰，使演播厅调光系统能够正常投入运行。

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