棉紡織廠電力諧波分析及治理實(shí)踐

顏 冬 何建成

（新疆廣維現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆烏魯木齊，830000）

棉紡織廠電力能源管理直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益［1-3］。企業(yè)生產(chǎn)需要穩(wěn)定的電網(wǎng)電力質(zhì)量和企業(yè)內(nèi)部用電質(zhì)量。隨著現(xiàn)代紡織科技的不斷發(fā)展，紡機(jī)設(shè)備傳統(tǒng)的調(diào)速方法發(fā)生了根本改變，傳統(tǒng)的齒輪、膠帶等傳動(dòng)方式應(yīng)用場(chǎng)景大幅度減少，交流電機(jī)多級(jí)調(diào)速、直流電機(jī)調(diào)速方式也普遍被變頻調(diào)速方式代替。一方面紡機(jī)設(shè)備自動(dòng)化和智能化水平提高需要穩(wěn)定可靠電源質(zhì)量，另一方面紡機(jī)設(shè)備自動(dòng)化和智能化水平提高需要大量采用變頻器等電器配件，在使用過(guò)程中這些電器配件又對(duì)電源質(zhì)量施加影響，電力諧波問(wèn)題隨之產(chǎn)生［4］。電力諧波給企業(yè)用電安全帶來(lái)的影響也日益凸顯，加強(qiáng)電力諧波的防治就顯得至關(guān)重要。

GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》對(duì)諧波允許值作出了明確的規(guī)定［5］。1998 年《電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定》中第五條指出：因電網(wǎng)或用戶用電原因引起的電能質(zhì)量不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，按“誰(shuí)干擾，誰(shuí)污染，誰(shuí)治理”的原則及時(shí)處理，并貫穿于電網(wǎng)及用電設(shè)施設(shè)計(jì)、建設(shè)和生產(chǎn)的全過(guò)程［6］?！豆╇姞I(yíng)業(yè)規(guī)則》中第五十五條指出：引起公共連接點(diǎn)電壓正弦波畸變率超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，用戶必須采取措施予以消除，否則，供電企業(yè)可中止對(duì)其供電［7］?！峨娋W(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則》中5.2.6“諧波含量”條款中明確要求輸電系統(tǒng)諧波應(yīng)滿足GB/T 14549—1993 的要求［8］。

1 棉紡織廠電力諧波的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)例

從2016 年開(kāi)始，我們公司在相關(guān)專業(yè)單位的配合下對(duì)新疆3 個(gè)棉紡織企業(yè)的數(shù)十個(gè)車(chē)間進(jìn)行了電力諧波測(cè)試，以具有代表性并承擔(dān)主要負(fù)載任務(wù)的1 600 kVA/2 000 kVA 變壓器為重點(diǎn)，測(cè)量線路上所有常規(guī)的電力質(zhì)量參數(shù)。在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)上，測(cè)試三相電壓電流有效值、電壓諧波畸變率和電流諧波畸變率，繪制時(shí)間趨勢(shì)圖并進(jìn)行分析。

1.1 測(cè)量點(diǎn)位

測(cè)量點(diǎn)位如圖1 所示。

圖1 電力諧波測(cè)量點(diǎn)位置

1.2 典型數(shù)據(jù)分析

（1）庫(kù)爾勒A 紡織廠3 號(hào)車(chē)間2 號(hào)配電室（2 000 kVA 變壓器）測(cè)試數(shù)據(jù)如下。其中，電壓總諧波畸變率8.5%，變壓器功率因數(shù)0.93。

（2）庫(kù)爾勒B 紡織廠轉(zhuǎn)杯紡車(chē)間配電室（1 600 kVA 變壓器）測(cè)試數(shù)據(jù)如下。其中，電壓總諧波畸變率7.2%，變壓器功率因數(shù)0.93。

（3）阿克蘇某廠4 號(hào)車(chē)間1 號(hào)配電室（2 000 kVA 變壓器）測(cè)試數(shù)據(jù)如下。其中，電壓總諧波畸變率9.3%，變壓器功率因數(shù)0.93。

從以上企業(yè)內(nèi)部電力質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，3個(gè)企業(yè)電壓總諧波畸變率均超過(guò)有關(guān)電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定5%的要求。

2 電力諧波的危害

2.1 電力諧波對(duì)變壓器的影響

諧波電流增加了變壓器的銅損、鐵損，使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。電力諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，引起鐵心磁通飽和或歪斜，從而產(chǎn)生噪聲。據(jù)相關(guān)部門(mén)試驗(yàn)，相同的電纜敷設(shè)條件，若通過(guò)一般的工頻電流，變壓器的使用壽命為25年，而含有高次諧波的非正弦電流，嚴(yán)重影響其使用壽命。

2.2 電力諧波對(duì)電力電容器的影響

隨著諧波電壓的增高，會(huì)加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，電容器容易發(fā)生故障和縮短壽命；另一方面，電容器電容與電網(wǎng)感抗組成諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)行［9］。這在紡織企業(yè)中普遍嚴(yán)重存在，且影響供電的正常運(yùn)行。

2.3 電力諧波對(duì)電力電纜的影響

在導(dǎo)體中非正弦波電流產(chǎn)生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較，非正弦波有較高的熱量，該額外溫升是由眾所周知的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)引起的，而這兩種現(xiàn)象取決于頻率及導(dǎo)體的尺寸和間隔。這兩種效應(yīng)如同增加了導(dǎo)體的交流電阻，進(jìn)而導(dǎo)致線路損耗增加。

2.4 附加銅損和鐵損的形成

電力線路中諧波電流會(huì)在系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備（如變壓器、電力電容器、輸電線路、電機(jī)及用電設(shè)備等）上造成附加銅損和鐵損?？梢园阎C波源看作產(chǎn)生諧波的發(fā)電機(jī)，其諧波能量是通過(guò)設(shè)備非線性基波的能量轉(zhuǎn)換而來(lái)的。諧波電流是由非線性負(fù)荷產(chǎn)生，然后注入電網(wǎng)系統(tǒng)中，消耗在負(fù)荷及線路上。通過(guò)安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，可以有效降低相線電流值，從而達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，由于運(yùn)用濾波設(shè)備后將供電系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行濾除，減小了相線上電流的有效值，使母線上的電流下降，從而提高了變壓器和發(fā)電機(jī)的供電容量。

2.5 事故隱患的發(fā)生

傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償電容器裝置過(guò)載燒壞現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，有火災(zāi)隱患；高次諧波引起的電纜、銅排的集膚效應(yīng)使得電纜、銅排發(fā)熱嚴(yán)重，絕緣老化、使用壽命下降；過(guò)高的諧波電壓尖峰可能擊穿用電設(shè)備的輸入模塊，威脅用電設(shè)備的可靠運(yùn)行；諧波含量過(guò)高可能影響系統(tǒng)中弱電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，干擾通訊系統(tǒng)的正常工作；引起三相不平衡，為三相設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患，大量零序諧波造成系統(tǒng)中線電流過(guò)大，在某些單相負(fù)載嚴(yán)重場(chǎng)合，中線電流可能超過(guò)相線電流引發(fā)過(guò)載事故。

3 電力諧波電流電壓限值

根據(jù)GB/T 14549—1993，各電壓等級(jí)諧波電壓值如表1 所示。在基準(zhǔn)短路容量10 MVA下，注入0.4 kV 母線的各次諧波電流允許值如表2 所示。

表1 公共電網(wǎng)諧波電壓限值

表2 各次諧波電流限值

4 目前采用的幾種諧波抑制方式

（1）減少諧波源的諧波含量。通過(guò)改變?cè)O(shè)備裝置和改變供電方式減少諧波源的諧波含量，主要有增加可控硅變換裝置脈沖數(shù)、改變供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式、減少發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波等方法。

（2）在電容回路中串接電抗器，主要用于低壓配電室，可部分抑制諧波電流的放大和影響［10］。

（3）在諧波源處就近安裝交流濾波器，主要用于高壓電網(wǎng)。這是在諧波源設(shè)備已經(jīng)確定的情況下，防止諧波電流注入電網(wǎng)的有效措施。

（4）采用有源濾波器。

（5）重諧濾波補(bǔ)償裝置。在考慮基波+諧波的“全電流，全電壓”電網(wǎng)環(huán)境下，配置“基波無(wú)功補(bǔ)償+諧波治理容量”兩部分，獨(dú)立劃分諧波治理空間，將諧波對(duì)補(bǔ)償裝置內(nèi)各元器件影響控制在極低范圍內(nèi)，保證裝置安全運(yùn)行同時(shí)優(yōu)化變壓器功率因數(shù)并有效治理諧波。

5 “重諧”的定義

（1）根據(jù)我國(guó)工業(yè)用電設(shè)備的諧波發(fā)射水平以及設(shè)備的抗擾水平，并參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549—1993、IEEE 519—2014《電力系統(tǒng)諧波控制的建議做法和要求》等標(biāo)準(zhǔn)，把0.4 kV 電壓總諧波畸變率大于5%的用電環(huán)境，定義為“重諧”。從多個(gè)紡織廠諧波測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)看5 次、7 次畸變率遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，造成的主要影響有變壓器、電纜、母排異常振動(dòng)、高溫，設(shè)備絕緣損壞導(dǎo)致的各類電氣事故；電網(wǎng)受諧波污染嚴(yán)重，精密設(shè)備和工藝設(shè)備誤動(dòng)作、不受控、報(bào)警停機(jī)，產(chǎn)品報(bào)廢；電容補(bǔ)償元件壽命大幅縮短，損壞嚴(yán)重幾乎停運(yùn)等。

（2）隨著現(xiàn)代工業(yè)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，用電設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜多樣化，由此引發(fā)了諸多用電質(zhì)量問(wèn)題。除了功率因數(shù)低的問(wèn)題之外，各種“高精尖”設(shè)備的廣泛應(yīng)用又為電網(wǎng)引入大量諧波，導(dǎo)致大量的精密儀器均受電力諧波影響。如今，整個(gè)配電系統(tǒng)也從原來(lái)的低功率因數(shù)到高功率因數(shù)，輕諧波轉(zhuǎn)變?yōu)橹刂C波。通過(guò)對(duì)大量企業(yè)調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，以變頻器負(fù)載為主的紡織企業(yè)，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的無(wú)功補(bǔ)償裝置投入后頻繁故障甚至無(wú)法使用。在負(fù)荷類型發(fā)生很大變化情況下，傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償已無(wú)法滿足現(xiàn)有負(fù)荷的使用要求。

6 兩種諧波治理方案實(shí)例

6.1 采用有源濾波器

（1）在阿克蘇某紡織廠，對(duì)十廠后紡2#配電室2#變壓器（1 600 kVA）采用有源濾波裝置（APF）進(jìn)行諧波治理。APF 和無(wú)功補(bǔ)償配置：（APF-300A+FC-100kVar）×1+（APF-400A）×1。治理效果：APF 和無(wú)功補(bǔ)償裝置投入后，低壓側(cè)5次諧波電流從402 A 降低到255 A，電壓諧波畸變率從7.7%降低到6.2%（未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)5%），功率因數(shù)從0.95 提高到0.97，治理效果一般。低壓側(cè)具體測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如下。

（2）在阿克蘇某紡織廠，對(duì)八廠后紡1#配電室2#變壓器（2 000 kVA）采用有源濾波裝置（APF）進(jìn)行諧波治理。APF 和無(wú)功補(bǔ)償配置：（APF-300 A+FC-100 kVar）×2。治理效果：APF 和無(wú)功補(bǔ)償裝置投入后，低壓側(cè)5 次諧波電流從386 A 降低到290 A，電壓諧波畸變率從6.6%降低到5.5%（未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)5%），功率因數(shù)從0.95 提高到0.96，治理效果一般。低壓側(cè)具體測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如下。

6.2 采用重諧濾波補(bǔ)償裝置

（1）在莎車(chē)某紡織廠，對(duì)1#廠房前紡3#變壓器（2 500 kVA）采用重諧濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行治理。重諧濾波補(bǔ)償配置：（LZS-GT0.4/600L6）×2。治理效果：重諧濾波補(bǔ)償裝置投入后，低壓側(cè)5 次諧波電流從141 A 降低到49 A，電壓諧波畸變率由4.6%降低到2.5%，功率因數(shù)從0.85 提高到0.99，諧波治理效果較為顯著。低壓側(cè)具體測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如下。

（2）在莎車(chē)某紡織廠，對(duì)1#廠房后紡1#變壓器（3 150 kVA）采用重諧濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行治理。重諧濾波補(bǔ)償配置：（LZS-GT0.4/800L8）×2。治理效果：重諧濾波補(bǔ)償裝置投入后，系統(tǒng)電流由2 690 A 降低到2 485 A，低壓側(cè)5 次諧波電流從463 A 降低到168 A，電壓諧波畸變率從9.3%降低到4.9%，功率因數(shù)從0.95 提高到0.99，治理效果顯著。低壓側(cè)具體測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如下。

6.3 兩種諧波治理方案比較

我們對(duì)兩種諧波治理方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。APF 和無(wú)功補(bǔ)償方案：占地面積大，APF 和無(wú)功補(bǔ)償配置為全電力電子器件，對(duì)散熱、安裝、環(huán)境要求高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需定期維護(hù)；容性、感性雙向補(bǔ)償，調(diào)節(jié)三相不平衡，諧波濾除頻帶寬；運(yùn)行環(huán)境相對(duì)較好、可應(yīng)用在負(fù)載動(dòng)態(tài)變化的現(xiàn)場(chǎng)（如數(shù)據(jù)中心、體育中心、劇院、醫(yī)院等）；自身?yè)p耗3%，投資維護(hù)運(yùn)行成本比較高。重諧濾波補(bǔ)償方案：濾波補(bǔ)償二合一，是一體柜，占地面積??；真空接觸器、電容、電抗參數(shù)專業(yè)定制，穩(wěn)定性強(qiáng)，可適應(yīng)惡劣環(huán)境，3 年免維護(hù)；補(bǔ)償、濾波、提升電壓同步進(jìn)行，對(duì)特定次諧波濾波能力強(qiáng)；可應(yīng)用在大量使用變頻器、伺服電機(jī)和穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)（紡織、食品、陶瓷、水泥、電子等）；自身?yè)p耗0.3%，投資維護(hù)運(yùn)行成本是前者的2/3。

7 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于現(xiàn)代棉紡織廠來(lái)說(shuō)，用電質(zhì)量是保證其安全正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，諧波抑制的方式從電容回路中串接電抗器到交流濾波器（有源濾波器），再到目前可以根據(jù)負(fù)載情況精準(zhǔn)重諧濾波補(bǔ)償?shù)姆绞?，是人們?duì)諧波從抑制發(fā)展到諧波濾除不斷認(rèn)識(shí)和進(jìn)步的過(guò)程。通過(guò)棉紡織廠電力諧波治理實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，采用重諧濾波補(bǔ)償方案占地面積小，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，治理諧波和功率補(bǔ)償相結(jié)合，諧波治理效果顯著，投資維護(hù)成本低，適用于棉紡織廠電力諧波治理。