用来限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，平滑电源电压中包含的尖峰脉冲，或平滑桥式整流电路换相时产生的电压缺陷, 有效地保护变频器和改善功率因数，它既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染。

输出电抗器的作用：

输出电抗器主要作用是补偿长线（50-200m）分布电容的影响，并能抑制输出谐波电流，提高输出高频阻抗,有效抑制dv/dt.减低高频漏电流,起到保护变频器,减小设备噪声的作用。电容器在补偿功率的时候，往往会受到谐波电压和谐波电流的冲击，造成电容器损坏和功率因数降低，为此，需要在补偿的时候进行谐波治理。

直流电抗器的作用：

直流电抗器接在变频系统的直流整流环节与逆变环节之间，主要用途是将叠加在直流电流上的交流分量限定在某一规定值,保持整流电流连续，减小电流脉冲值,使逆变环节运行更稳定及改善变频器的功率因数。

电抗器作为无功补偿手段，在电力系统中是不可缺少的。它有不同的分类方法，按接法可分为并联电抗器和串联电抗器；按功能可分为限流电抗器和补偿电抗器；按用途可分为限流电抗器、滤波电抗器、平波电抗器、阻尼电抗器等。

按接法，把其分为并联电抗器和串联电抗器。

并联电抗器是并联连接在系统上的电抗器，主要用以补偿电容电流。在超高压远距离输电系统中，通常将其安装在变压器的三次线圈上，用以补偿长距离输电线路的电容性充电电流，防止系统出现线端电压升高，降低系统操作过电压，以维持系统电压稳定，提高系统传输能力和效率。

串联电抗器通常也称为阻尼电抗器，它是与电容器组或密集型电容器组串联连接在一起的电抗器，用以限制开关操作时的涌流。

电抗器的作用

电容器在补偿功率的时候，往往会受到谐波电压和谐波电流的的冲击，造成电容器损坏和功率因数降低，为此，需要在补偿的时候进行谐波治理

输入输出电抗器的作用:

变频调速用输入输出电抗器：变频器和调速器在使用过程中，经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏变频器和调速器的性能和使用寿命，所以要在其前面加装输入电抗器，用以抑制浪涌电压和浪涌电流，保护变频器和调速器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时由于变频器和调速器是采用变频的方式调速的，所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变，会影响设备正常使用，为此，须在输出端加装一个输出电抗器，用于滤出谐波电压和谐波电流，改善电网质量

并联电抗器作用:

并联电抗器主要连接在10-500KV变电站的低压侧，通过主变向系统输送感性无功，用以补偿输电线路的电容电流，防止轻负荷线端电压升高，维持输电系统的电压稳定

平衡电抗器的作用:

平衡电抗器在线路中常用于三相动平衡，用以调节容易引起三相失调的设备，改善电网质量，使用电设备免受损坏

限流电抗器:

在电力系统用的各类电抗器 往往是固定电感式的电抗器，但是系统电压很不稳定，再加之设备更新换代、增容或者改造，就需要不同阻值的电抗器，来适应电网及变频器、直流调速器、软启动等设备的正常运行，更好的滤除谐波干扰，限制短路电流和突发泵升电流对电机的影响

电抗器的作用

电抗器的作用:

变频调速用输入输出电抗器:变频器和调速器在使用过程中，经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏变频器和调速器的性能和使用寿命，所以要在其前面加装输入电抗器，用以抑制浪涌电压和浪涌电流，保护变频器和调速器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时由于变频器和调速器是采用变频的方式调速的，所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变，会影响设备正常使用，为此，须在输入输出端加装一个电抗器，用于滤出谐波电压和谐波电流，改善电网质量，我厂生产的输入输出系列电抗器，采用优质矽钢片和优质铜线经先进的工艺精制而成。

交流电抗器是在变频器的输入端与电源的隔离器件，也是变频器与电动机的隔离器件。用在输入端的叫输入电抗器，用在输出端的叫输出电抗器。它主要是隔离变频器的高次谐波，防止变频器对电源或其它设备的干扰，在大容量变频器和小容量变压器中使用最多。对于变频器与电动机的距离超过30米的用户输出端应加交流输出电抗器。对于电源要求高的场合也常使用。一般情况下是不用的。

变频器应用中的抗干扰及其抑制

一、引言

变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体，以良好的调速和具有节能、可靠、高效的特性应用于工业控制的各个领域，如变频调速用在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床等方面，保证了调节精度，减轻了劳动强度，提高了经济效益，但随之也带来了一些干扰问题。现场的供电和用电设备会对变频器产生影响，变频器运行时产生的高次谐波也会干扰周围设备的运行。变频器产生的干扰对电子、通信及无线电设备等较为敏感。根据英国的ACE报告，各种对象对高次谐波的敏感程度如下:电动机在10%,20%以下无影响;仪表电压畸变10%，电流畸变10%，误差在1%以下;电子开关超过10%会产生误动作;计算机超过5%会出错。对计算机和自动控制装置等电子设备产生的干扰主要是感应干扰;对通信设备和无线电等产生的干扰为放射干扰。如果变频器的干扰问题解决不好，不但系统无法可靠运行，还会影响其他电子、电气设备的正常工作。因此，有必要对变频器应用系统中的干扰问题进行探讨，以促进其进一步推广应用。本文主要讨论变频器的抗干扰及其设计。

二、谐波和电磁辐射对电网及其他系统的危害

1(谐波使电网中的电器元件产生附加的谐波损耗，降低了输变电及用电设备的效率。

2(谐波可以通过电网传导至其他的用电器，影响电器设备的正常运行。如谐波会使变压器产生机械振动，使其局部过热，绝缘老化，寿命缩短，以至于损坏;还有传导来的谐波会干扰电器设备内部软件或硬件的正常运转。

3(谐波会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大。

4(谐波或电磁辐射干扰会导致继电器保护设置的误动作，使电器仪表计量不准确，甚至无法正常工作。

5(电磁辐射干扰使经过变频器输出导线附近的控制信号和检测信号等弱电信号受干扰，严重时使系统无法得到正确的检测信号，或使控制系统紊乱。

一般来说，变频器对电网容量大的系统影响不十分明显，这也就是谐波不被大多数用户重视的原因。但对电网容量小的系统，谐波产生的干扰就不能忽视。

三、变频调速系统的主要电磁干扰源及途径

(一)电磁干扰源

电磁干扰也称电磁骚扰(EMI)，是以外部噪声和无用信号在接收中所造成的电磁干扰，

通常通过电路传导和以场的形式传播。变频器的整流桥对电网来说是非线性负载，它所产生的谐波会对同一电网的其他电子、电气设备产生谐波干扰。另外，变频器的逆变器大多采用PWM技术，当其工作于开关模式并作高速切换时，会产生大量耦合性噪声。因此，变频器对系统内其他的电子、电气设备来说是一个电磁干扰源。另一方面，电网中的谐波干扰主要通过变频器的供电电源干扰变频器。电网中存在大量谐波源(如各种整流设备、交直流互换设备、电子电压调整设备、非线性负载及照明设备等)，这些负荷都使电网中的电压、电流产生波形畸变，从而对电网中其他设备产生干扰。变频器的供电电源受到来自被污染的交流电网的干扰后，若不加处理，电网噪声会通过电网电源电路干扰变频器。供电电源对变频器的干扰主要有过压、欠压、瞬时掉电，浪涌、跌落、尖峰电压脉冲，射频干扰。其次，共模干扰通过变频器的控制信号线也会干扰变频器的正常工作。

(二)电磁干扰的途径

变频器能产生功率较大的谐波，对系统其他设备干扰性较强。其干扰途径与一般电磁千扰途径是一致的，主要分空间辐射干扰(即电磁辐射干扰)、耦合干扰、电源干扰。具体为电气设备、电子设备的高密度使用，使空间电磁波污染越来越严重。这些干扰源产生的辐射波频率范围广且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过检测系统的壳体、导线等形成接收电路，造成对系统的干扰。静电耦合干扰是指电路之间的寄生电容使系统内某一电路信号的变化影响其他电路，形成静电耦合干扰，只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等频率高的信号存在，就有静电耦合干扰存在。传导耦合干扰即系统的信号在传输过程中容易出现延时、变形并接收干扰信号，形成传导耦合干扰，对周围的电子、电气设备产生电磁辐射;对直接驱动的电动机产生电磁噪声，使得电动机铁耗和铜耗增加，并传导干扰到电源，通过配电网络传导给系统其他设备;变频器对相邻的其他线路产生感应耦合，感应出干扰电压或电流。同样，系统内的干扰信号通过相同的途径干扰变频器的正常工作。变频系统一般由工业用电网络供电。工业系统中的某些大设备的起动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰。这些电压噪声均会通过电源内阻耦合到变频系统的电路，给系统造成极大的危害。

三、减小变频器谐波对其他设备影响的方法

(一)增加交流/直流电抗器

安装电抗器实际是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧或变频器的直流侧安装电抗器或同时安装，可抑制谐波电流。采用交流/直流电抗器后(见图1)，进线电流的THDV(电压畸变率)降低30%,50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右。

(二)多相脉冲整流

在条件具备或者要求产生的谐波限制在比较小的情况下，可以采用多相整流的方法。12相脉冲整流THDV为10%,15%;18相脉冲整流的THDV为3%,8%，满足EN 61000-3-12和IEEE519-1992标准的要求。缺点是需要专用变压器和整流器，不利于设备改造，价格较高。

(三)无源滤波器

采用无源滤波器后(见图2)，满载时进线中的THDV可降至5%,10%，满足EN 61000-3-12和IEEE 519-1992的要求，技术成熟，价格适中。适用于所有负载下的THDV,30%的情况，缺点是轻载时功率因数会降低。

(四)输出电抗器

采用在变频器到电动机之间增加交流电抗器的方法(见图3)。主要目的是减少变频器的输出在能量传输过程中对线路上产生的电磁辐射。该电抗器必须安装在距离变频器最近的地方，尽量缩短与变频器的引线距离。如果使用铠装电缆作为变频器与电动机的连线时，可不使用该方法，但要做到电缆的铠装在变频器和电动机端可靠接地，而且接地的恺装要原样

不动接地，不能扭成绳或辫，不能用其他导线延长，变频器侧要接在变频器的地线端子上，再将变频器接地。

(五)增加变频器供电电源内阻抗

通常情况下，电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容的无功功率的作用。这种内阻抗就是变压器的短路阻抗。当电源容量相对变频器容量越小，内阻抗值相对越大，谐波含量越小;电源容量相对变频器容量越大，则内阻抗值相对越小，谐波含量越大。所以选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。

(六)调节变频器的载波比

提高变频器载波比，可有效抑制低次谐波。只要载波比足够大，较低次谐波就可以被有效地抑制。特别是参考波幅值与载波幅值,1时，13次以下的奇数谐波不再出现。

四、减少或削弱变频器谐波及电磁辐射对设备干扰的方法

(一)使用隔离变压器

主要是应对来自于电源的传导干扰(见图4)。使用具有隔离层的隔离变压器，可以将绝大部分的传导干扰隔离在隔离变压器之前。同时，还可以兼有电源电压变换的作用。隔离变压器常用于控制系统中的仪表;PLC以及其他低压小功率用电设备的抗传导干扰。

(二)使用滤波模块或组件

目前，市场中有很多专用于抗传导干扰的滤波器模块或组件。这些滤波器具有较强的抗干扰能力，同时还具有防止用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

常用双孔磁芯滤波器的结构如图5所示。还有单孔磁芯的滤波器，其滤波能力较双孔的弱些，但成本较低。

(三)选用具有开关电源的仪表等低压设备

一般开关电源的抗电源传导干扰的能力都比较强，因为在开关电源的内部也都采用了与图5结构类似的滤波器。因此，在选用控制系统的电源设备或者选用控制用电器时，应尽量采用具有开关电源类型的。

(四)作好信号线的抗干扰

信号线承担着检测信号和控制信号的传输任务，毋庸质疑。信号传输的质量直接影响到整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性，因此做好信号线的抗干扰是十分必要的。

对于信号线上的干扰主要是来自空间的电磁辐射，有常态干扰和共模干扰两种。

1(常态干扰的抑制。常态干扰是指叠加在测量信号线上的干扰信号。这种干扰大多是频率较高的交变信号，来源一般是耦合干扰。抑制方法有:(1)在输人回路接RC滤波器或双T滤波器;(2)尽量采用双积分式A/D转换器。这种积分器具有一定的消除高频干扰的作用;(3)将电压信号转换成电流信号再传输的方式，对于常态的干扰有非常强的抑制作用。

2(共模干扰的抑制。共模干扰是指信号线上共有的干扰信号。一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所造成的。这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等，所以采用上面的方法无法消除或抑制。对共模干扰的抑制方法如下:

(1)采用双差分输人的差动放大器。这种放大器具有很高的共模抑制比。

(2)把输入线绞合，绞合的双绞线能降低共模干扰。由于改变了导线电磁感应e的方向，从而使其感应互相抵消，如图6所示。

(3)采用光电隔离的方法，可以消除共模干扰。

(4)使用屏蔽线时，屏蔽层只一端接地。因为若两端接地，由于接地电位差在屏蔽层内会流过电流而产生干扰，因此只要一端接地即可防止干扰。

无论是为了抑制常态干扰还是抑制共模干扰，都应做到:(1)输入线路要尽量短;(2)配线时避免和动力线接近，信号线与动力线分开配线，把信号线放在有屏蔽的金属管内，或

者动力线和信号线分开距离在40 cm以上;(3)为了避免信号失真，对于较长距离传输的信号要注意阻抗匹配。

(五)接地干扰

接地往往是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地方式可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵人，提高系统的抗干扰能力。变频器的接地方式有多点接地、一点接地及经母线接地等几种形式，要根据具体情况采用，要注意不要因为接地不良而对，设备产生干扰。图7为一般变频调速传动系统抗干扰所采取的措施。

在使用以单片机、PLC和计算机等为核心的控制系统中，编制软件时可适当增加对检测信号和输出控制部分的软件滤波，以增强系统自身的抗干扰能力。

五、结语

干扰的分布参数是很复杂的，因此在抗干扰时应采用适当的措施，既要考虑效果，又要考虑价格因素，还要视现场情况而定。通过对变频器运行过程中存在的干扰问题的分析，提出了解决这些问题的实际方法。随着新技术和新理论不断在变频器上的应用，变频器应用存在的这些问题有望通过变频器本身的功能和补偿解决。随着工业现场和社会环境对变频器的要求不断提高，满足实际需要的真正“绿色”变频器不久也会面世。

现场总线定义:

是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 。

主要用于:

制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。

2003年4月，IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准，规定10种类型的现场总线。

Type 1 TS61158现场总线

Type 2 ControlNet和Ethernet/IP现场总线

Type 3 Profibus现场总线

Type 4 P-NET现场总线

Type 5 FF HSE现场总线

Type 6 SwiftNet现场总线

Type 7 World FIP现场总线

Type 8 Interbus现场总线

Type 9 FF H1现场总线

Type 10 PROFInet现场总线

现场总线的技术特征

(1) 全数字化通信

(2) 开放型的互联网络

(3) 互可操作性与互用性

(4) 现场设备的智能化

(5) 系统结构的高度分散性

(6) 对现场环境的适应性

现场总线的特点

现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。

通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。

功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。

控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。

现场总线的优点

现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域; 一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用;

节省维护开销;

提高了系统的可靠性;

为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。

现场总线技术的发展趋势

从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势:

一是寻求统一的现场总线国际标准

二是Industrial Ethernet走向工业控制网络

统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术(Ethernet for Process Automation)也取得了很大的进展。 随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。

工业以太网的发展

国际上形成的工业以太网技术的四大阵营:

主要用于离散制造控制系统的是:

Modbus-IDA工业以太网

Ethernet/IP工业以太网

PROFInet工业以太网

主要用于过程控制系统的是:

Foundation Fieldbus HSE工业以太网

随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生了巨大的变革。150多年前出现的基于5,13psi的气动信号标准(PCS，Pneumatic Control System气动控制系统)，标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念;20世纪50年代，随着基于0,10mA或4,20mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今;20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用4,20mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统(DCS，Distributed Control System分布式控制系统);微处理器的普遍应用和计算机可靠性的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线的产生。

现场总线的实质和优点

1984年，现场总线的概念得到正式提出。IEC(International Electrotechnical Commission,国际电工委员会)对现场总线(Fieldbus)的定义为:现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。 不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家公认现场总线的本质体现在以下六个方面:

现场通信网络

用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。 现场设备互联

依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。 互操作性

用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。

分散功能块

FCS 废弃了DCS 的输入/输出单元和控制站, 把DCS 控制站的功能块分散地分配给现场仪表, 从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。

通信线供电

通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量, 这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表, 与其配套的还有安全栅。

开放式互联网络

现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。

从以上内容我们可以看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由此我们可以看到FCS相对于DCS的巨大进步。

也正是由于FCS的以上特点使得其在设计、安装、投运到正常生产都具有很大的优越性:首先由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务，不再需要单独的控制器、计算单元等，节省了硬件投资和使用面积;FCS的接线较为简单，而且一条传输线可以挂接多了设备，大大节约了安装费用;由于现场控制设备往往具有自诊断功能，并能将故障信息发送至控制室，减轻了维护工作;同时，由于用户拥有高度的系统集成自主权，可以通过比较灵活选择合适的厂家产品;整体系统的可靠性和准确性也大为提高。这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本，最终达到增加利润的目的。

现场总线的现状

由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC/ISA)就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点:

多种现场总线并存

目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的FIP，英国的ERA，德国西门子公司

Siemens的ProfiBus，挪威的FINT，Echelon公司的LONWorks，PhenixContact公司的InterBus，RoberBosch公司的CAN，Rosemounr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI(ActraturSensorInterface)，MODBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线FF:FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus，美国的DeviceNet与ControlNet等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有,,,左右的市场。

各种总线都有其应用的领域

每种总线大都有其应用的领域，比如FF、PROFIBUS-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域;LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域;DeviceNet、PROFIBUS-DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。

每种现场总线都有其国际组织和支持背景

大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台，成立了WorldFIP国际用户组织。

多种总线成为国家和地区标准

为了加强自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。

设备制造商参与多个总线组织

为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。 各个总线彼此协调共存

由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。 工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求;现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场规律、商业利益的制约;技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。

主流现场总线简介

下面就几种主流的现场总线做一简单介绍。

1基金会现场总线(FoundationFieldbus 简称FF)

这是以美国Fisher-Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。该总线在过程自动化领域得到了广泛的应用，具有良好的发展前景。

基金会现场总线采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1，2，7层)，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速H2两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为1Mbit/秒和2.5Mbit/秒，通信距离为750m和500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IEC1158-2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 CAN(ControllerAreaNetwork 控制器局域网)

最早由德国BOSCH公司推出，它广泛用于离散控制领域，其总线规范已被ISO国际标准组

织制定为国际标准，得到了Intel、Motorola、NEC等公司的支持。CAN协议分为二层:物理层和数据链路层。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。CAN支持多主工作方式，并采用了非破坏性总线仲裁技术，通过设置优先级来避免冲突，通讯距离最远可达10KM/5Kbps/s，通讯速率最高可达40M /1Mbp/s，网络节点数实际可达110个。目前已有多家公司开发了符合CAN协议的通信芯片。 Lonworks

它由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/OSI模型的全部,层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，通讯速率从300bit/s至1.5M/s不等，直接通信距离可达2700m(78Kbit/s)，被誉为通用控制网络。Lonworks技术采用的LonTalk协议被封装到Neuron(神经元)的芯片中，并得以实现。采用Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。

DeviceNet

DeviceNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至500Kbit/s,每个网络的最大节点为64个，其通信模式为:生产者/客户(Producer/Consumer)，采用多信道广播信息发送方式。位于DeviceNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。DeviceNet总线的组织结构是Open DeviceNet Vendor Association(开放式设备网络供应商协会，简称“ODVA”)。

5PROFIBUS

PROFIBUS是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由PROFIBUS--DP、PROFIBUS,FMS、PROFIBUS,PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从IEC1158,,标准。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。

6HART

HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写，最早由Rosemount公司开发。其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变的过渡产品。其通信模型采用物理层、数据链路层和应用层三层，支持点对点主从应答方式和多点广播方式。由于它采用模拟数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。HART能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。

7CC-Link

CC-Link是Control&Communication Link(控制与通信链路系统)的缩写，在1996年11月，由三菱电机为主导的多家公司推出，其增长势头迅猛，在亚洲占有较大份额。在其系统中，可以将控制和信息数据同是以10Mbit/s高速传送至现场网络，具有性能卓越、使用简单、应用广泛、节省成本等优点。其不仅解决了工业现场配线复杂的问题，同时具有优异的抗噪性能和兼容性。CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感层。2005年7月CC-Link被中国国家标准委员会批准为中国国家标准指导性技术文件。

8WorldFIP

WorkdFIP的北美部分与ISP合并为FF以后，WorldFIP的欧洲部分仍保持独立，总部设在法国。其在欧洲市场占有重要地位，特别是在法国占有率大约为60%。WorldFIP的特点是具有单一的总线结构来适用不同的应用领域的需求，而且没有任何网关或网桥，用软件的办法来解决高速和低速的衔接。WorldFIP与FFHSE可以实现“透明联接”，并对FF的H1进行了技术拓展，如速率等。在与IEC61158第一类型的连接方面，WorldFIP做得最好，走在世界前列。

INTERBUS

INTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织ISO的开放化系统互联OSI的简化模型(1，2，7层)，即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。INTERBUS广泛地应用到汽车、烟草、仓储、造纸、包装、食品等工业，成为国际现场总线的领先者。 此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process-Data A/S 提出的P-Net，该总线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业;SwiftNet现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。

现场总线的发展和以太网

现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面:一个是低速现场总线领域的不断发展和完善;另一个是高速现场总线技术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个市场。就目前而言，由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商，其全球影响力日益增加，但其在中国市场营销力度似乎不足，市场份额不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作体系，在国内有一些实质性的进展，在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，Profibus和CAN经在这一领域形成了自己的优势，具有较强的竞争力。国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。而且，还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时，选择的上位机，比如组态软件对总线设备的支持程度，有些监控组态软件，比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支持，通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯，采集数据。这样可以方便用户的选择，而一些组态软件则支持的种类较少，是用户选择的范围也随之减少。

由于目前自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA，发展到系统自动化。工厂自动化信息网络可分为以下三层结构:工厂管理级、车间监控级、现场设备级，而现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网，本文特指工业以太网，工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3协议，如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业

以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。

什么是CAN总线

对于什么是CAN总线,网络上很多人都想知道什么是CAN 。这里找到一个比较好理解的说法。

CAN,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初,CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络。比如:发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入CAN控制装置。

一个由CAN 总线构成的单一网络中,理论上可以挂接无数个节点。实际应用中,节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如,当使用Philips P82C250作为CAN收发器时,同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率,这使实时控制变得非常容易。另外,硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

CAN最初出现在80年代末的汽车工业中,由德国Bosch公司最先提出。当时,由于消费者对于汽车功能的要求越来越多,而这些功能的实现大多是基于电子操作的,这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂,同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯,减少不断增加的信号线。于是,他们设计了一个单一的网络总线,所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年,CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519(低速应用)。

CAN是一种多主方式的串行通讯总线,基本设计规范要求有高的位速率,高抗电磁干扰性,而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时,CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。

由于CAN总线具有很高的实时性能,因此,CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

电抗器的作用

电抗器的作用

2008-08-10 08:57

电力网中所采用的电抗器，实质上是一个无导磁材料的空心线圈。它可以根据需要，布置为垂直、水平和品字形三种装配形式。在电力系统发生短路时，会产生数值很大的短路电流。如果不加以限制，要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困难的。因此，为了满足某些断路器遮断容量的要求，常在出线断路器处串联电抗器，增大短路阻抗，限制短路电流。

由于采用了电抗器，在发生短路时，电抗器上的电压降较大，所以也起到了维持母线电压水平的作用，使母线上的电压波动较小，保证了非故障线路上的用户电气设备运行的稳定性。

近年来，在电力系统中，为了消除由高次谐波电压、电流所引起的电容器故障，在电容器回路中采用串联电抗器的方法改变系统参数，已取得了显著的效果。 干式空心电抗器的作用和使用寿命

近年来，我国500kV输电线路迅速发展，电网容量越来越大，由于电压等级高，电网装机容量大，造成了系统短路电流增大，事故电压波动大，功率因数偏低，开关容量不够和谐波电流的增加，解决这些问题的方法是在系统上安装电抗器。大容量干式空心电抗器是近几年研制开发的新型电抗器，它具有线性特性好，参数稳定，防火性能好的特点，本文仅就干式空心电抗器(以下简称电抗器)的作用和使用寿命作一分析。 来源:www.tede

1 电抗器的作用

1.1 电抗器的限流和滤波作用

电网容量的扩大，使得系统短路容量的额定值迅速增大。如在500kV变电所的低压35kV侧， 最大的三相对称短路电流有效值已经接近50kA。为了限制输电线路的短路电流，保护电力设 备，必须安装电抗器，电抗器能够减小短路电流和使短路瞬间系统的电压保持不变。

在电容器回路安装阻尼电抗器(即串联电抗器)，电容器回路投入时起抑制涌流的作用。同时与电容器组一起组成谐波回路，起各次谐波的滤波作用。如在500kV变电所35kV无功补偿装置的电容器回路中，为了限制投入电容器时的涌流和抑制电力系统的高次谐波，在35kV电容器回路中必须安装阻尼电抗器，抑制3次谐波时，采用额定电压35kV，额定电感量26.2mH，额定电流350A干式空心单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对3次谐波形成谐振回路，即3次谐波滤波回路。同样，为了抑制5次及以上高次谐波，采用了额定电压35kV，额定电感量9.2mH，额定电流382A单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对5次及以上高次谐波形成谐振回路。起到了抑制高次谐波的作用，需要说明的是，在国家标准《电抗器》 GB10229—88和IEC289—88国际标准中均对阻尼电抗器的使用和技术条件作了规定。但目前国内有些部门将阻尼电抗器

称为串联电抗器，严格来讲是不合适的，因为上述标准中均没有串联电抗器这个名称。

1.2 电抗器在无功补偿装置中的作用

随着我国500kV电力系统的发展，以及电气化铁路和大型钢铁基地的建设，在大型枢纽变电 所中需要安装静止补偿装置的趋势越来越明显。静止补偿装置对负载突变的反映速度快(一般响应时间为0.02～0.04s)，具有平滑的无功功率和电压调节特性。因此它能够稳定电力系统电压，有效地补偿电力系统的无功功率系数，抑制电压的波动，维持电力系统处于三相平衡状态，抑制电力系统的次同步振荡。此外安装在电力系统枢纽点的静止补偿装置还能起降低电力系统暂态超压的作用。因此各大电网均要求大中型变电站必须安装电抗器来补偿电容性的无功功率，做到就地补偿，就地平衡，以保证电力系统的安全运行。 电抗器是无功补偿装置的重要组成部分之一，并联电抗器用来提供感抗值消耗电力系统过剩 的电容性无功功率，这在电力系统初期输送功率较小的时候以及电力系统后期在每日深夜轻负荷的时候都是十分必要的。因为在上述两种情况下，输电线路的无功功率损耗小，由于电容效应，输电线路产生的无功功率大于输电线路消耗的无功功率，在整个电力系统中存在剩余的无功功率(电容性)，必须安装并联电抗器来消耗这部分剩余的无功功率，满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平。否则电力系统的电压过高，无法安全运行。 近年来用减少静止补偿装置中晶闸管的数量，来节省整个装置的投资，有尽可能增大电容器 组(简称TSC)容量和并联电抗器组(简称TCR)容量的趋势。在有的静止补偿装置中甚至取消了TSC回路，完全由固定电容器组(简称FC)代替。这样为了保持静止补偿装置具有连续平滑的无功功率和电压调节特性，就需要加大并联电抗器的总容量。因此，电抗器的用量将越来越大。

串联在电容器回路中的阻尼电抗器除起到前面所叙述的限制涌流和高次谐波的作用外，也起 到了无功补偿的作用。

2 电抗器使用寿命的分析

电抗器在额定负载下长期正常运行的时间，就是电抗器的使用寿命。电抗器使用寿命由制造 它的材料所决定。制造电抗器的材料有金属材料和绝缘材料两大类。金属材料耐高温，而绝缘材料长期在较高的温度、电场和磁场作用下，会逐渐失去原有的力学性能和绝缘性能，例如变脆、机械强度减弱、电击穿。这个渐变的过程就是绝缘材料的老化。温度愈高，绝缘材料的力学性能和绝缘性能减弱得越快；绝缘材料含水分愈多，老化也愈快。电抗器中的绝缘材料要承受电抗器运行产生的负荷和周围环境的作用，这些负荷的总和、强度和作用时间决定绝缘材料的使用寿命。

这些负荷包括热性质的、机械性质的和电气性质的，周围环境的作用指潮湿、化学污染、灰 尘和各种射线。

由于热作用一方面可以引起化学变化，如导致绝缘材料原子结构中的链断裂，分子结构改变，分离反应和交链反应；另一方面由于金属导线和相邻的绝缘材料间的热膨胀差别很大，而产生机械破坏。

因电抗器运行产生的交变磁场而引起的机械负荷有压力、拉力、伸展、振动。强度太高时， 绝缘材料会产生撕裂拉断，损耗大会引起发热而产生破坏。周围环境中对电抗器起破坏作用的最普遍的是温度高、温度波动大和相对湿度大；其次有强光照射、灰尘、细沙、烟雾等；另外还有生物(如霉菌和细菌)的影响，以及一些动物(如白蚁)的侵害。在此要提一下各种辐射对绝缘材料均有一定的破坏作用，对于聚合的绝缘材料辐射分子量增加，或者由于链分裂，网状组织导致破坏。

电抗器运行时，它的使用寿命要受到以上各种负荷和环境的影响，其中负荷和环境的影响最 大，因此，在保持足够的机械和电气特性下，温度稳定性和热状态均被看作是电抗器设计制造质量的重要指标，温度稳定性和热状态的突出影响是科研人员研究热负荷和寿命之间关系的原因。为此，国际电工委员会(IEC)和国家标准局制定了电抗器的IEC标准和国家标准。表1为干式空心电抗器国家标准规定的温升限值。从表1可以看出，各种绝缘材料的耐热温度与相应温升的差值，随着绝缘等级的提高而增大。这是因为采用不同耐热等级的绝缘材料制造的电抗器，运行时的温升限值是不同的。当温升较高时，电抗器运行时的热流强度就要增大。一般来说，部件中温度的分布随热流强度的增加而趋于不均匀，其平均温度与最热点温度的差值也增大。

表1 干式空心电抗器国家标准规定的温升限值

电抗器运行时，它的绕组既是导热介质，又是热源，它的温度一般来说在空间上总是按一定规律呈曲线分布。这样就有了最热点温升和平均温升之分，电抗器的发热限度以最热点温升为准，平均温升是检验设计是否合理和经济性能好坏的重要指标。平均温升与最热点温升之间有一定的规律性联系。可以用平均温升来衡量电抗器的发热情况，电抗器绕组绝缘的热寿命和绝缘是否受损应由绕组最热点温升来决定，而不是平均温度来决定。干式空心电抗器的使用寿命根据蒙特申格尔(Montsinger)的寿命定律来计算

T＝Ae-αθ (1)

式中 T——绝缘材料的使用寿命

A——常数(根据电抗器所用绝缘材料的等级确定)

α——常数，约为0.88

θ——绝缘材料的温度

对于蒙特申格尔寿命定律的半对数θ＝f(lnT)，得到含有方向常数-1/α的直线，该直线如图所示，这就是绕组的寿命(绕组耐热等级为A、B和H)与绕组工作温度的函数关系。

图 A、B和H耐热等级绝缘绕组的寿命与绕组运行温度的函数关系

从式(1)和图中可以看出，每种绝缘材料都有一个固定的温度变化值。在某一统计期内，若 电抗器的最热点温度比所用绝缘材料的最高允许温度低，则绝缘老化缓慢，寿命延长。反之，则绝缘老化加快，寿命缩短。对于电抗器的全部寿命而言，这一寿命的延长或缩短便构成了寿命的补偿。每种绝缘材料的寿命减小到一半或寿命增加一倍的温度变化值是固定不变的。该温度变化值对于A级为8℃，对于B级为8～10℃，对于H级为12℃。由于A级的Δθ＝ 8℃，因而蒙特申格尔寿命定律还称为8℃规则，H级一般称为12℃规则。

我们知道，每种绝缘材料均有其耐热的绝对最高温度(见表2)，当超过其绝对最高温度时， 绝 缘材料将迅速碳化而失去绝缘性能和力学性能。因此若电抗器经常过负荷运行时，一定要在 订货时与制造厂协商，在设计和制造过程中考

虑经常过负荷的工作状态。

表2 绝缘等级和绝对最高温度的关系

7 电网中含有谐波情况下的无功补偿

7.1 对原有变流器负荷的补偿

当电网接有谐波源负载(例如变流器等)时，不能将补偿电容器直接接于电网，因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路，在对谐振频率进行估算时，可以根据电网短路功率Sk"和电容器基波补偿容量Qc1计算Vr=F(Qcl/Sk")。

在5次谐波频率下电网具有谐振，并联阻抗Xp大大升高，由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后，会产生很高的谐波电压，谐波电压叠加在基波电压上，导致电压波形发生畸变。在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍，即谐波放大，此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷，特别是电容器，长期运行于过负荷状态，加速绝缘老化，甚至击穿爆炸。可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率，调整电容器容量配置，使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离，避免谐波放大。但是实际的电网阻抗不为常数，而时常处于不断变化之中，很难完全避开谐振，特别当电容器分组调节运行时，情况更为复杂。

当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时，必须采取技术措施，将并联谐振点移到安全位置，而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器。

7.2 电容器回路串电抗

电容器串电抗后形成一个串联谐振回路，在谐振频率下呈现出很低的阻抗(理论上为0)。如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致，则成为纯滤波回路。如果只吸收少量谐波，则称为失谐滤波回路。

失谐波回路的主要用途是防止谐波放大，滤波效果不大，回路串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率，即设定为基波频率的3.8～4.2倍。 工程计算公式为:

电抗器电抗XL=电容器容抗Xc的百分比(X%)或者:电抗器功率QL=电容器基波容量QC的百分比(X%)

电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6%～7%。在选择X=6%时，谐振次数为V=4.08。

失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波，谐波源产生的谐波的大部分流入电网，电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。

纯滤波回路的主要用途是吸收谐波，同时补偿基波无功功率。

在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可对相关谐波形成“短路”。

在谐振频率以下滤波回路呈容性，因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。在谐振频率以上滤波回路呈感性。

由于滤波回路在谐振点以下呈容性，所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路。如果在这个频率范围内没有特征谐波，则并联谐振对电网不会产生危害。

设计滤波回路时，应从最低次谐波开始，例如对于6脉动桥式变流器的谐波，应

从5次谐波开始设置滤波回路。多个滤波回路的并联谐振频率。

当电容器采用△形接线，则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96%～98%，以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变，滤波回路除了输出基波无功功率外，还要承受谐波负荷，多个不同谐振频率的滤波器在两个过0点间会出现一个并联谐振点。

7.3 滤波回路的无功功率调节

由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波，所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性，只能对各个回路进行投切，投入的顺序为从低次到高次，切除的顺序为从高次到低次。对于容量较大的补偿滤波装置，可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法，即纯滤波回路固定运行，补偿基本负荷，失谐滤波回路作为调节运行。

对于低压谐波装置，也可以采取多个同次滤波回路并联的方法，但需注意以下两点:

a)失谐滤波回路可以并联运行，用于对滤波效果没有严格要求的场所。

b)同次调谐滤波回路并联运行会出现问题。在谐振频率下回路阻抗理论上为0，但实际上电流不可能在2个支路间平均分配，其主要原因:

——由于元件制作误差、环境温度变化、电容器老化和元件容丝的动作等因素影响，导致各支路阻抗不为0，并且互有差异。

——电感和电容的调谐精度的限制。不可能将两个支路的参数调得完全一样。 如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性，另一个呈容性，则会产生并联谐振，使谐波放大。

如果经过经济技术比较需要采用并联方式，可以将两个支路均调为在特征谐波频率下呈感性，即ωr

如果既要吸收谐波，又要保持调节的灵活性，可以采用并联支路的方式，即若干个同次滤波回路同时接入电网，各支路的电容同时并联，形成一个总的滤波回路，调节时可以投切其中的一个或多个并联支路。这种方式不会出现支路间的并联谐振，同时提高了滤波效果。除了对电容器分组调节以外，对于负载波动频繁的场合，采用动态补偿及滤波装置是最佳的解决方案。

7.4 滤波回路的选择

选择滤波回路有以下两个原则:

a)主要用于吸收谐波，降低电网电压畸变，基波无功补偿居次要位置。

b)提高电网功率因数，同时吸收谐波，电容器容量按无功补偿的要求配置。

7.5 滤波回路的效应

在谐振频率下滤波回路仍然具有电阻，因此会产生损耗。图6原理图中忽略了所有其他负载，包括电缆电容，但并不影响计算准确度。

电容器容量越小，谐振曲线越陡，一旦失谐，会有大量谐波电流进入电网。电容器容量越大，滤波效果也越好。

品质因数改变时谐振曲线只在特征谐波附近变化，在滤波器调谐频率与谐波频率相等或相近的情况下，品质因数越高，滤波效果越好。考虑到电容器和电抗器制造技术和费用等条件，品质因数一般在30～80之间。

谐波分流特性只适用于谐波源和滤波器稳定状态，在谐波源(例如可逆轧机传动)动态变化过程中，谐波电流的每次改变均会引起滤波器震荡，滤波器回路电阻越大(品质因数越小)，则震荡时间越短，但滤波效果要降低。对于频繁变化的谐波

源负载，在过渡过程期间，电网要承受较大的谐波电流。

7.6 电网分析与计算

设计补偿装置和滤波回路时，除了计算选择元器件参数外，对于特定的供电系统还需要进行具体电网分析，模拟出设备投入后预期的效果。

电抗器的作用

电抗器的作用

1.1 电抗器的限流和滤波作用

电网容量的扩大，使得系统短路容量的额定值迅速增大。如在500kV变电所的低压35kV侧， 最大的三相对称短路电流有效值已经接近50kA。为了限制输电线路的短路电流，保护电力设 备，必须安装电抗器，电抗器能够减小短路电流和使短路瞬间系统的电压保持不变。

在电容器回路安装阻尼电抗器(即串联电抗器)，电容器回路投入时起抑制涌流的作用。同时与电容器组一起组成谐波回路，起各次谐波的滤波作用。如在500kV变电所35kV无功补偿装置的电容器回路中，为了限制投入电容器时的涌流和抑制电力系统的高次谐波，在35kV电容器回路中必须安装阻尼电抗器，抑制3次谐波时，采用额定电压35kV，额定电感量26.2mH，额定电流350A干式空心单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对3次谐波形成谐振回路，即3次谐波滤波回路。同样，为了抑制5次及以上高次谐波，采用了额定电压35kV，额定电感量9.2mH，额定电流382A单相户外型阻尼电抗器，它与2.52Mvar电容器对5次及以上高次谐波形成谐振回路。起到了抑制高次谐波的作用，需要说明的是，在国家标准《电抗器》 GB10229—88和IEC289—88国际标准中均对阻尼电抗器的使用和技术条件作了规定。但目前国内有些部门将阻尼电抗器称为串联电抗器，严格来讲是不合适的，因为上述标准中均没有串联电抗器这个名称。 1.2 电抗器在无功补偿装置中的作用

随着我国500kV电力系统的发展，以及电气化铁路和大型钢铁基地的建设，在大型枢纽变电 所中需要安装静止补偿装置的趋势越来越明显。静止补偿装置对负载突变的反映速度快(一般响应时间为0.02,0.04s)，具有平滑的无功功率和电压调节特性。因此它能够稳定电力系统电压，有效地补偿电力系统的无功功率系数，抑制电压的波动，维持电力系统处于三相平衡状态，抑制电力系统的次同步振荡。此外安装在电力系统枢纽点的静止补偿装置还能起降低电力系统暂态超压的作用。因此各大电网均要求大中型变电站必须安装电抗器来补偿电容性的无功功率，做到就地补偿，就地平衡，以保证电力系统的安全运行。

电抗器是无功补偿装置的重要组成部分之一，并联电抗器用来提供感抗值消耗电力系统过剩 的电容性无功功率，这在电力系统初期输送功率较小的时候以及电力系统后期在每日深夜轻负荷的时候都是十分必要的。因为在上述两种情况下，输电线路的无功功率损耗小，由于电容效应，输电线路产生的无功功率大于输电线路消耗的无功功率，在整个电力系统中存在剩余的无功功率(电容性)，必须安装并联电抗器来消耗这部分剩余的无功功率，满足电力系统无功平衡的需要，维持电力系统的电压水平。否则电力系统的电压过高，无法安全运行。

近年来用减少静止补偿装置中晶闸管的数量，来节省整个装置的投资，有尽可能增大电容器 组(简称TSC)容量和并联电抗器组(简称TCR)容量的趋势。在有的静止补偿装置中甚至取消了TSC回路，完全由固定电容器组(简称FC)代替。这样为了保持静止补偿装置具有连续平滑的无功功率和电压调节特性，就需要加大并联电抗器的总容量。因此，电抗器的用量将越来越大。

串联在电容器回路中的阻尼电抗器除起到前面所叙述的限制涌流和高次谐波的作用外，也起 到了无功补偿的作用。

2 电抗器使用寿命的分析

电抗器在额定负载下长期正常运行的时间，就是电抗器的使用寿命。电抗器使用寿命由制造 它的材料所决定。制造电抗器的材料有金属材料和绝缘材料两大类。金属材料耐高温，而绝缘材料长期在较高的温度、电场和磁场作用下，会逐渐失去原有的力学性能和绝缘性能，例如变脆、机械强度减弱、电击穿。这个渐变的过程就是绝缘材料的老化。温度愈高，绝缘材料的力学性能和绝缘性能减弱得越快;绝缘材料含水分愈多，老化也愈快。电抗器中的绝缘材料要承受电抗器运行产生的负荷和周围环境的作用，这些负荷的总和、强度和作用时间决定绝缘材料的使用寿命。

这些负荷包括热性质的、机械性质的和电气性质的，周围环境的作用指潮湿、化学污染、灰 尘和各种射线。

由于热作用一方面可以引起化学变化，如导致绝缘材料原子结构中的链断裂，分子结构改变，分离反应和交链反应;另一方面由于金属导线和相邻的绝缘材料间的热膨胀差别很大，而产生机械破坏。

因电抗器运行产生的交变磁场而引起的机械负荷有压力、拉力、伸展、振动。强度太高时， 绝缘材料会产生撕裂拉断，损耗大会引起发热而产生破坏。周围环境中对电抗器起破坏作用的最普遍的是温度高、温度波动大和相对湿度大;其次有强光照射、灰尘、细沙、烟雾等;另外还有生物(如霉菌和细菌)的影响，以及一些动物(如白蚁)的侵害。在此要提一下各种辐射对绝缘材料均有一定的破坏作用，对于聚合的绝缘材料辐射分子量增加，或者由于链分裂，网状组织导致破坏。

电抗器运行时，它的使用寿命要受到以上各种负荷和环境的影响，其中负荷和环境的影响最 大，因此，在保持足够的机械和电气特性下，温度稳定性和热状态均被看作是电抗器设计制造质量的重要指标，温度稳定性和热状态的突出影响是科研人员研究热负荷和寿命之间关系的原因。为此，国际电工委员会(IEC)和国家标准局制定了电抗器的IEC标准和国家标准。表1为干式空心电抗器国家标准规定的温升限值。从表1可以看出，各种绝缘材料的耐热温度与相应温升的差值，随着绝缘等级的提高而增大。这是因为采用不同耐热等级的绝缘材料制造的电抗器，运行时的温升限值是不同的。当温升较高时，

电抗器运行时的热流强度就要增大。一般来说，部件中温度的分布随热流强度的增加而趋于不均匀，其平均温度与最热点温度的差值也增大。

表1 干式空心电抗器国家标准规定的温升限值

绝缘的温度等级 ( 电阻法测得的平均值)

绝缘等级

/? 温升限值/K

A 105 60

E 120 75

B 130 85

F 155 100

H 180 125

C 220 150

电抗器运行时，它的绕组既是导热介质，又是热源，它的温度一般来说在空间上总是按一定规律呈曲线分布。这样就有了最热点温升和平均温升之分，电抗器的发热限度以最热点温升为准，平均温升是检验设计是否合理和经济性能好坏的重要指标。平均温升与最热点温升之间有一定的规律性联系。可以用平均温升来衡量电抗器的发热情况，电抗器绕组绝缘的热寿命和绝缘是否受损应由绕组最热点温升来决定，而不是平均温度来决定。干式空心电抗器的使用寿命根据蒙特申格尔(Montsinger)的寿命定律来计算 T,Ae-αθ (1)

式中 T——绝缘材料的使用寿命

A——常数(根据电抗器所用绝缘材料的等级确定)

α——常数，约为0.88

θ——绝缘材料的温度

对于蒙特申格尔寿命定律的半对数θ,f(lnT)，得到含有方向常数-1/α的直线，该直线如图所示，这就是绕组的寿命(绕组耐热等级为A、B和H)与绕组工作温度的函数关系。

图 A、B和H耐热等级绝缘绕组的寿命与绕组运行温度的函数关系

从式(1)和图中可以看出，每种绝缘材料都有一个固定的温度变化值。在某一统计期内，若 电抗器的最热点温度比所用绝缘材料的最高允许温度低，则绝缘老化缓慢，寿命延长。反之，则绝缘老化加快，寿命缩短。对于电抗器的全部寿命而言，这一寿命的延长或缩短便构成了寿命的补偿。每种绝缘材料的寿命减小到一半或寿命增加一倍的温度变化值是固定不变的。该温度变化值对于A级为8?，对于B级为8,10?，对于H级为12?。由于A级的Δθ, 8?，因而蒙特申格尔寿命定律还称为8?规则，H级一般称为12?规则。

我们知道，每种绝缘材料均有其耐热的绝对最高温度(见表2)，当超过其绝对最高温度时， 绝 缘材料将迅速碳化而失去绝缘性能和力学性能。因此若电抗器经常过负荷运行时，一定要在 订货时与制造厂协商，在设计和制造过程中考虑经常过负荷的工作状态。 表2 绝缘等级和绝对最高温度的关系

绝缘等级温度/? 105(A) 120(E) 130(B) 155(F) 180(H) 220(C)

绝对最高温度/? 150 175 185 210 235 260

7 电网中含有谐波情况下的无功补偿

7.1 对原有变流器负荷的补偿

当电网接有谐波源负载(例如变流器等)时，不能将补偿电容器直接接于电网，因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路，在对谐振频率进行估算时，可以根据电网短路功率Sk"和电容器基波补偿容量Qc1计算Vr=F(Qcl/Sk")。

在5次谐波频率下电网具有谐振，并联阻抗Xp大大升高，由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后，会产生很高的谐波电压，谐波电压叠加在基波电压上，导致电压波形发生畸变。在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍，即谐波放大，此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷，特别是电容器，长期运行于过负荷状态，加速绝缘老化，甚至击穿爆炸。可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率，调整电容器容量配置，使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离，避免谐波放大。但是实际的电网阻抗不为常数，而时常处于不断变化之中，很难完全避开谐振，特别当电容器分组调节运行时，情况更为复杂。

当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时，必须采取技术措施，将并联谐振点移到安全位置，而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器。 7.2 电容器回路串电抗

电容器串电抗后形成一个串联谐振回路，在谐振频率下呈现出很低的阻抗(理论上为0)。如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致，则成为纯滤波回路。如果只吸收少量谐波，则称为失谐滤波回路。

失谐波回路的主要用途是防止谐波放大，滤波效果不大，回路串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率，即设定为基波频率的3.8,4.2倍。

工程计算公式为:

电抗器电抗XL=电容器容抗Xc的百分比(X%)或者:电抗器功率QL=电容器基波容量QC的百分比(X%)

电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6%,7%。在选择X=6%时，谐振次数为V=4.08。

失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波，谐波源产生的谐波的大部分流入电网，电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。

纯滤波回路的主要用途是吸收谐波，同时补偿基波无功功率。

在串联谐振状态下，滤波回路的合成阻抗Xs接近于0，因此可对相关谐波形成“短路”。 在谐振频率以下滤波回路呈容性，因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。在谐振频率以上滤波回路呈感性。

由于滤波回路在谐振点以下呈容性，所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路。如果在这个频率范围内没有特征谐波，则并联谐振对电网不会产生危害。 设计滤波回路时，应从最低次谐波开始，例如对于6脉动桥式变流器的谐波，应从5次谐波开始设置滤波回路。多个滤波回路的并联谐振频率。

当电容器采用?形接线，则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96%,98%，以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变，滤波回路除了输出基波无功功率外，还要承受谐波负荷，多个不同谐振频率的滤波器在两个过0点间会出现一个并联谐振点。

7.3 滤波回路的无功功率调节

由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波，所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性，只能对各个回路进行投切，投入的顺序为从低次到高次，切除的顺序为从高次到低次。对于容量较大的补偿滤波装置，可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法，即纯滤波回路固定运行，补偿基本负荷，失谐滤波回路作为调节运行。

对于低压谐波装置，也可以采取多个同次滤波回路并联的方法，但需注意以下两点: a)失谐滤波回路可以并联运行，用于对滤波效果没有严格要求的场所。 b)同次调谐滤波回路并联运行会出现问题。在谐振频率下回路阻抗理论上为0，但实际上电流不可能在2个支路间平均分配，其主要原因:

——由于元件制作误差、环境温度变化、电容器老化和元件容丝的动作等因素影响，导致各支路阻抗不为0，并且互有差异。

——电感和电容的调谐精度的限制。不可能将两个支路的参数调得完全一样。 如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性，另一个呈容性，则会产生并联谐振，使谐波放大。

如果经过经济技术比较需要采用并联方式，可以将两个支路均调为在特征谐波频率下呈感性，即ωr

如果既要吸收谐波，又要保持调节的灵活性，可以采用并联支路的方式，即若干个同次滤波回路同时接入电网，各支路的电容同时并联，形成一个总的滤波回路，调节时可以投切其中的一个或多个并联支路。这种方式不会出现支路间的并联谐振，同时提高了滤波效果。除了对电容器分组调节以外，对于负载波动频繁的场合，采用动态补偿及滤波装置是最佳的解决方案。

7.4 滤波回路的选择

选择滤波回路有以下两个原则:

a)主要用于吸收谐波，降低电网电压畸变，基波无功补偿居次要位置。 b)提高电网功率因数，同时吸收谐波，电容器容量按无功补偿的要求配置。 7.5 滤波回路的效应

在谐振频率下滤波回路仍然具有电阻，因此会产生损耗。图6原理图中忽略了所有其他负载，包括电缆电容，但并不影响计算准确度。

电容器容量越小，谐振曲线越陡，一旦失谐，会有大量谐波电流进入电网。电容器容量越大，滤波效果也越好。

品质因数改变时谐振曲线只在特征谐波附近变化，在滤波器调谐频率与谐波频率相等或相近的情况下，品质因数越高，滤波效果越好。考虑到电容器和电抗器制造技术和费用等条件，品质因数一般在30,80之间。

谐波分流特性只适用于谐波源和滤波器稳定状态，在谐波源(例如可逆轧机传动)动态变化过程中，谐波电流的每次改变均会引起滤波器震荡，滤波器回路电阻越大(品质因数越小)，则震荡时间越短，但滤波效果要降低。对于频繁变化的谐波源负载，在过渡过程期间，电网要承受较大的谐波电流。

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