電網(wǎng)諧波抑制在玻璃行業(yè)的應(yīng)用

摘要：電網(wǎng)諧波的問題在玻璃行業(yè)中日益突出。文章首先講述了諧波的產(chǎn)生、危害，接著又分析了諧波檢測方法，最后介紹了諧波抑制方法。

關(guān)鍵詞：玻璃行業(yè)；電網(wǎng)運行；諧波抑制；諧波檢測；玻璃生產(chǎn) 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM76 文章編號：1009-2374（2015）23-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.023

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，對玻璃的需求日益增加。生產(chǎn)平板玻璃的工藝路線日益復(fù)雜。生產(chǎn)過程中對可控硅電力系統(tǒng)裝置要求越來越精密。無論是體積方面，還是使用效率方面，要求都非常高。可控硅電力元器件在實際使用中會產(chǎn)生電網(wǎng)諧波。由于電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生使得在生產(chǎn)玻璃的過程中電能利用率不高、對電力系統(tǒng)帶來危害、給制造加工玻璃電器設(shè)備安全帶來危險、給人們的安全帶來威脅，因而應(yīng)該對其加以預(yù)防。

1 諧波分析

1.1 諧波的定義

采用傅立葉級數(shù)方法對周期性非正弦波形電量進行分解，最終得到兩種類型分量：第一種分量是基波f（頻率）相同；第二種分量是分量頻率大于基波頻率。第二種類型被稱為諧波。在實際中諧波次數(shù)計算方法為：

當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)非整數(shù)倍諧波時，該諧波被稱為非諧波。在電網(wǎng)中由于諧波的出現(xiàn)使得電網(wǎng)被“污染”。

1.2 玻璃生產(chǎn)中諧波的產(chǎn)生

諧波主要是由電源質(zhì)量、電力系統(tǒng)輸出過程以及用電設(shè)備產(chǎn)生。在實際中，電源質(zhì)量問題產(chǎn)生諧波的主要原因是電能是由發(fā)電機產(chǎn)生的。在發(fā)電機系統(tǒng)中是由三相組構(gòu)成，在制造過程中由于誤差等其他因素使得三相不能做到理論對稱。由于制造工藝，使得鐵心不能完全均勻一致，最終導(dǎo)致電源產(chǎn)生諧波。玻璃行業(yè)中諧波的危害主要表現(xiàn)在對生產(chǎn)玻璃的電器設(shè)備和電力電纜產(chǎn)生破壞。在浮法生產(chǎn)玻璃中，主要用到的電力設(shè)備是玻璃熔窯、錫槽。玻璃熔窯主要是由原料控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和氣體保護系統(tǒng)組成，這一過程主要是由DCS進行控制管理。浮法工藝耗電量大，但是諧波以及無功功率產(chǎn)生數(shù)量少。玻璃纖維生產(chǎn)工藝的主要電力設(shè)備有大量玻璃抽絲機、大量玻璃織布機、生產(chǎn)玻璃球的玻璃熔窯以及錫槽。在玻璃纖維生產(chǎn)中將會產(chǎn)生大量諧波和無功功率。在鋼化玻璃生產(chǎn)中主要用到的電力設(shè)備是電爐，該生產(chǎn)線中將會產(chǎn)生大量諧波以及無功功率。玻璃生產(chǎn)過程中大量使用了變頻設(shè)備、可控硅調(diào)節(jié)功率設(shè)備、照明燈和UPS不間斷電源、變壓器、錫槽加熱控制設(shè)備等。在浮法生產(chǎn)線中，錫槽加熱主要有兩種方法：第一種是可控硅交流調(diào)壓調(diào)功方法；第二種是磁性調(diào)壓供電。可控硅調(diào)節(jié)是電壓、電流波形，不是正弦波形，從而產(chǎn)生高次諧波。在玻璃熔煉系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生主要有兩種：第一種是含有大量非線性元器件半導(dǎo)體設(shè)備；第二種是含有感性負(fù)載以及非線性的電力設(shè)備。玻璃生產(chǎn)中諧波次數(shù)與電路形成有著必然關(guān)系，被稱為電路特征諧波。在對稱三相交流電路中，特征諧波次數(shù)計算方法為：N=Kp±1，K=1、2、3……（正整數(shù)），p表示一個周期內(nèi)電網(wǎng)脈沖觸發(fā)次數(shù)。在玻璃行業(yè)中最有意義的特性諧波數(shù)目是5、7、11、13次。當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)多個諧波時，諧波量總和小于每一個諧波分量的算術(shù)和。當(dāng)電網(wǎng)中的多個諧波源中的同次諧波電流在唯一的線路上疊加在已知相角情況下結(jié)果為：

目前玻璃行業(yè)中三相配電變壓器主要采用Dyn11接線使得3次諧波不能進入電網(wǎng)中。當(dāng)各相中粗線電流不均勻時將出現(xiàn)3次剩余諧波量流入電網(wǎng)中。

1.3 玻璃行業(yè)諧波的危害

諧波在玻璃行業(yè)中的危害主要表現(xiàn)在對供電電力設(shè)備和電纜的危害。具體表現(xiàn)在：

1.3.1 對變壓器的損害，由于諧波的產(chǎn)生，使得諧波電流增加銅損耗以及雜散損耗，諧波電壓會增加鐵的損耗，使得電阻增大，最終導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，由于絕緣層長期處于加熱狀態(tài)，很容易使絕緣層被氧化，由于諧波的產(chǎn)出，變壓器噪音會加大對環(huán)境產(chǎn)生噪音污染。

1.3.2 基波頻率以及諧波電流發(fā)生變化時對機械振動也有影響，當(dāng)電氣勵磁頻率與機械振動頻率相近時系統(tǒng)容易發(fā)生共振，最終使得電機損壞。

1.3.3 諧波會降低系統(tǒng)的功率因素，從而將諧波電流作為有功電流，最終造成增加用戶的電費。

1.3.4 諧波能夠影響電子設(shè)備等，較高的諧波容易造成控制系統(tǒng)不能正常運行，最終影響到玻璃生產(chǎn)。在玻璃行業(yè)中，補償功率因數(shù)的主要方法是采用并聯(lián)電力電容器。然而在實際中由于電感與電力電容器的組合將產(chǎn)生諧波，并聯(lián)電容器中的容抗與諧波次數(shù)關(guān)系成反比關(guān)系，隨著諧波次數(shù)增大容抗減小，最終影響電容器的壽命。

1.3.5 由于電纜的集膚效應(yīng)使得電纜不斷被損害，很容易造成電纜發(fā)熱，最終影響電纜的壽命。

在玻璃行業(yè)中存在大型電熔爐諧波源，電力設(shè)備產(chǎn)生諧波污染將對配電系統(tǒng)中的供電質(zhì)量帶來極大危害，比如電壓和電流波形畸形、功率因素變低、電壓波動大、各種用電設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱影響設(shè)備壽命、電網(wǎng)容量下降同時設(shè)備利用率降低、運行成本加大，因此必須高度重視玻璃行業(yè)中諧波的治理，采用多種技術(shù)對諧波進行抑制和解決。

2 諧波治理方法

當(dāng)諧波流入電網(wǎng)后，使得供電質(zhì)量差、對玻璃行業(yè)中的用電設(shè)備構(gòu)成威脅、危害電網(wǎng)安全，對控制系統(tǒng)正常運行構(gòu)成威脅。對于玻璃行業(yè)中諧波的抑制主要是通過以下四種方法解決：

第一，對諧波進行監(jiān)控測量，找到產(chǎn)生諧波的根源。目前關(guān)于諧波檢測方法主要有快速傅立葉變換法、小波變換法、基于傅立葉變換的頻域分析方法、模擬濾波法、瞬時無功功率法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變換法以及廣義d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換法等。

第二，需要對無功功率進行補償，在玻璃生產(chǎn)中采用電熔技術(shù)該技術(shù)是在高溫下通過交變電場作用促使玻璃中堿金屬離子做復(fù)雜的運動從而產(chǎn)生焦耳熱，所以當(dāng)電極饋入電能后，對于設(shè)備變壓器，爐體中的玻璃是成感性負(fù)載，使得功率因素變低需要進行補充。文獻中對電熔爐無功諧波進行分析改進得到檢驗公式為：

式中：Uci表示電容器承受基波電壓值；Ucn表示電容器額定電壓；Uch表示電容器上h次諧波電壓；Ici表示基波電流；Ich表示流過電容器的h次諧波電流；Icn表示電容器的額定電流。為了保證濾波器以及電力系統(tǒng)能夠長期安全穩(wěn)定運行，在濾波器中添加了熔斷保護。在二次繼電器保護中添加了欠電壓保護、過電流速斷保護、過電壓保護以及過電流保護。通常玻璃工廠中的諧波沒有達到國家標(biāo)準(zhǔn)下做無功補償，需要考慮諧波電流在某個諧波頻率下出現(xiàn)諧振的情況，防止諧波電流加大，從而損害電容器以及對電網(wǎng)安全構(gòu)成威脅。

第三，在錫槽加熱設(shè)備以及電力調(diào)整設(shè)備中需要使用有效保護措施使諧波盡可能消除。在玻璃廠中電加熱元件控制調(diào)節(jié)設(shè)備主要采用可控硅電力調(diào)節(jié)以及磁性調(diào)壓器。

第四，濾波器的使用，文中指出了采用芬蘭NOKIA公司成產(chǎn)的諧波過濾裝置應(yīng)用到玻璃廠中，玻璃廠中自備電力系統(tǒng)功率因數(shù)以及電容補償各項參數(shù)指標(biāo)均達到國標(biāo)要求。系統(tǒng)功率因素達到94%以上，同時系統(tǒng)總畸變率小于2.8%。

3 結(jié)語

在玻璃行業(yè)正往節(jié)能、環(huán)保高效發(fā)展時，電網(wǎng)諧波抑制技術(shù)將得到應(yīng)用和發(fā)展。隨著人們對諧波的深入研究，新的諧波抑制技術(shù)將不斷出現(xiàn)。

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作者簡介：呂昊（1987-），男，安徽蕪湖人，供職于蕪湖東旭光電科技有限公司，研究方向：動力能源領(lǐng)域等。

（責(zé)任編輯：陳 倩）