工廠企業(yè)諧波治理方案及治理效果分析

張建聰

摘 要：主要對(duì)工廠企業(yè)諧波治理方案和治理效果進(jìn)行了分析，對(duì)工廠的配電網(wǎng)諧波狀況作了系統(tǒng)分析，詳細(xì)論述了諧波的危害和治理方案設(shè)計(jì)，并討論了治理效果，以期為有關(guān)方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；諧波；治理方案；治理效果

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.072

諧波是指電流中含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，一般指對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。諧波會(huì)對(duì)工廠企業(yè)電氣設(shè)備的運(yùn)行造成極大的影響。因此，要對(duì)諧波進(jìn)行治理，保障工廠企業(yè)電氣設(shè)備的工作效率。本文就工廠企業(yè)諧波治理方案及其治理效果進(jìn)行分析。

1 工廠配電網(wǎng)諧波狀況分析

1.1 配電系統(tǒng)總體描述

根據(jù)對(duì)工廠配電系統(tǒng)的電力參數(shù)和工作狀況測(cè)試發(fā)現(xiàn)，由于工廠空壓機(jī)線路和空調(diào)線路中帶有較多的變頻器負(fù)荷，導(dǎo)致大量的5，7，11等高次諧波注入到配電系統(tǒng)中，較高的諧波畸變因子導(dǎo)致電壓、電流波形畸變，嚴(yán)重影響了配電設(shè)備的正常工作，同時(shí)，給整個(gè)配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行埋下了隱患。

1.2 配電系統(tǒng)測(cè)試圖

從圖1和圖2中可看出，電網(wǎng)電壓和電流均已不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，電流波形畸變相當(dāng)嚴(yán)重，畸變率高達(dá)40%.其中，以5，7，11等高次諧波為主，是線路設(shè)備發(fā)熱、老化和絕緣降低的主要原因，對(duì)配電系統(tǒng)的危害極大，且電壓畸變率也已超過國(guó)標(biāo)限制，亟待解決。

2 諧波的危害和治理方案設(shè)計(jì)

2.1 諧波的危害

2.1.1 諧波對(duì)配電線路和變壓器的危害

由于存在趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，諧波阻抗要比基波阻抗大得多。理論分析表明，交流電流的趨膚深度與頻率的平方根成反比，因此，當(dāng)線路導(dǎo)體的直徑或厚度大于趨膚深度的2倍時(shí)，線路的等效交流電阻將與電流頻率或諧波次數(shù)的平方根成反比。50 Hz基波電流的趨膚深度約為9.3 mm，5次諧波電流的趨膚深度約為4.1 mm，而11次諧波電流的趨膚深度僅有2.8 mm。因此，對(duì)于大容量的供電系統(tǒng)而言，趨膚效應(yīng)的影響是很明顯的。對(duì)于變壓器繞組而言，要受鄰近效應(yīng)的影響，且鄰近效應(yīng)的影響比趨膚效應(yīng)更嚴(yán)重，導(dǎo)致諧波阻抗大幅增加，最終導(dǎo)致導(dǎo)體發(fā)熱嚴(yán)重。大量的高次諧波不僅增加了配電線路損耗和變壓器的渦流損耗、雜散損耗，由于電纜發(fā)熱，還會(huì)導(dǎo)致絕緣老化，縮短了電纜的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因線路過熱而引發(fā)火災(zāi)。

2.1.2 諧波對(duì)用電設(shè)備的危害

諧波會(huì)使配電網(wǎng)中的用電設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了用電設(shè)備的效率和利用率。比如，諧波會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機(jī)壽命；可導(dǎo)致感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中含有正比于諧波頻率的正向或反向高速旋轉(zhuǎn)分量，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)出高頻電流，并以I2R的形式在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電阻中消耗。對(duì)于中小型感應(yīng)電機(jī)，10%的電壓諧波含量可導(dǎo)致電機(jī)損耗增加2%～3%. 諧波改變了電壓或電流的變化率和峰值，延緩了電弧的熄滅，會(huì)影響斷路器的分?jǐn)嗳萘浚瑢?dǎo)致斷路器保護(hù)功能失效，進(jìn)而因無法切斷故障電流而使生產(chǎn)損失加大。

2.1.3 諧波對(duì)通信系統(tǒng)的影響

諧波通過電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量；重者將導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。此外，諧波的高頻信號(hào)還會(huì)對(duì)控制回路中的敏感電子元器件產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致元器件采樣精度降低、控制電平紊亂、保護(hù)信號(hào)誤動(dòng)作，進(jìn)而使設(shè)備無法正常工作。

2.2 諧波治理方案設(shè)計(jì)

針對(duì)空壓機(jī)配電線路，其主變?nèi)萘繛? 600 kVA，低壓側(cè)為0.4 kV系統(tǒng)，配電線路較長(zhǎng)，負(fù)荷主要是變頻器。由于變頻器的電力諧波含量較高，且頻譜較廣、功率因數(shù)較高，采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理的效果最好、性價(jià)比最高。

針對(duì)配電線路較長(zhǎng)這一特點(diǎn)，建議采用就地補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行諧波治理。采用此方式有以下2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①采用就地補(bǔ)償可以大大減少輸電線路中的諧波含量，降低線路損耗和絕緣老化，避免安全事故的發(fā)生。按照電力諧波源的頻譜規(guī)律，配電線路對(duì)諧波電流的等效阻抗約為其對(duì)基波阻抗的2倍，電力變壓器繞組對(duì)諧波電流的等效阻抗約為其對(duì)基波阻抗的10倍。因此，30%的電流諧波含量可導(dǎo)致配電線路的損耗增加20%，使電力變壓器銅損增加90%. 因此，采用就地補(bǔ)償消除配電線路中的諧波，可有效降低諧波導(dǎo)致的線損和變壓器銅損。②由于低壓側(cè)的配電支路眾多，強(qiáng)、弱電接線復(fù)雜，線性負(fù)載與非線性負(fù)載并存，所以，諧波對(duì)相鄰配電支路的干擾在所難免。其中，既有電力方面的，也有信號(hào)方面的。采用就地補(bǔ)償方式可消除諧波的臨近干擾，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)仿真分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬仿真，可得出系統(tǒng)電氣參數(shù)波形圖和諧波治理效果，具體如圖3所示。

通過仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理后，配電室電壓和電流波形正弦度得到了明顯改善，說明諧波畸變因子得到了有效抑制。

3 治理效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)諧波治理效果

在靠近空壓機(jī)的配電線路側(cè)安裝了1臺(tái)200 A有源電力濾波器。濾波器未開啟時(shí)，電流波形嚴(yán)重畸變，電流畸變率高達(dá)40%，諧波電流主要以5，7，11等高次諧波為主；濾波器開啟后，電流波形明顯改善，基本接近正弦波，電流畸變率由40%降至4.9%，諧波電流抑制效果明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

濾波前，有功功率為170.7 kW，總功率因數(shù)PF為0.9；濾波后，由于諧波得到了有效抑制，電壓、電流的畸變率均大幅降低，諧波造成的無功占用基本消除，設(shè)備利用率得到了提高，在電流不變的情況下有功功率提高到了181.1 kW，提高了6.1%，總功率因數(shù)PF提高到了0.97，與基波功率因數(shù)cos基本相同。由此可見，電流中的諧波電流已被消除，只?；娏鳌Ｍ瑫r(shí)，諧波的消除降低了配電線路和變壓器的額外損耗、延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命、減少了后期的維護(hù)費(fèi)用，消除了諧波導(dǎo)致的安全隱患，雖無法用數(shù)字具體計(jì)算資金數(shù)額，但其帶來的經(jīng)濟(jì)效益是顯而易見的。

4 結(jié)論

綜上所述，諧波一直都是工廠企業(yè)設(shè)備的主要危害源，其不僅會(huì)影響機(jī)器的運(yùn)行，還會(huì)嚴(yán)重影響工廠企業(yè)的安全運(yùn)行。因此，需要及時(shí)制訂治理方案和采取有效措施對(duì)諧波進(jìn)行防范和治理，從而為工廠企業(yè)獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益作出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]張麗芹，劉懿.電力系統(tǒng)中小型鋼鐵企業(yè)的諧波及其治理[J].中國(guó)電力教育，2009（S2）.

[2]瞿煒平，胡愛中.工廠企業(yè)供電系統(tǒng)諧波治理研究[J].華東電力，2012（12）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Mainly to factories and enterprises harmonic control scheme and control effect are analyzed， the factory power distribution network harmonic condition is analyzed systematically， the harm of harmonic and the design of controlling scheme is discussed in detail， and discuss the treatment effect， to the need for relevant provides beneficial reference and reference.

Key words： distribution system； harmonics； governance scheme； governance effect