王海芹

（安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801）

摘要：隨著(zhù)電力電子變流裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用，但非線(xiàn)性電力裝置設備的廣泛應用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波，諧波污染越來(lái)越多地威脅到電力系統安全、穩定、經(jīng)濟運行，給同一網(wǎng)絡(luò )的線(xiàn)性負載和其它用戶(hù)帶來(lái)了極大影響。煙草工業(yè)在生產(chǎn)制造過(guò)程中，使用大量的變頻器進(jìn)行調速，變頻器所產(chǎn)生的諧波，對廠(chǎng)區配電室的供電網(wǎng)造成了一定的影響。本文通過(guò)分析諧波的危害，并提出采用有源電力濾波器進(jìn)行某卷煙廠(chǎng)諧波治理的方案。

關(guān)鍵詞： 諧波；污染；有源電力濾波器；治理；卷煙廠(chǎng)

1、諧波的危害

    變頻器工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì )使電壓波形也變成非正弦。這樣，連接在同一點(diǎn)的其他設備上就會(huì )被施加了含有諧波成分的非正弦電壓，致使一些敏感設備無(wú)法正常工作。諧波對企業(yè)的危害主要表現在以下幾個(gè)方面：

   （1）使電力元件附加損耗加大，易引發(fā)火災

    諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過(guò)中線(xiàn)會(huì )使線(xiàn)路過(guò)熱，甚至引起火災。

   （2）影響電氣設備的正常運行

    諧波會(huì )影響電氣設備的正常工作，使電機產(chǎn)生機械振動(dòng)和噪聲等；使變壓器局部嚴重過(guò)熱；使電容器、電纜等設備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。

   （3）引起電網(wǎng)諧振

    這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會(huì )對系統，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。

   （4）使繼電保護誤動(dòng)作，電氣測量誤差過(guò)大。

    諧波會(huì )導致繼電保護，特別是微機綜合保護器與自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。諧波還會(huì )使電氣測量?jì)x表計量不準確，產(chǎn)生計量誤差，給用電管理部門(mén)或電力用戶(hù)帶來(lái)經(jīng)濟損失。

   （5）使工控系統崩潰

   臨近的諧波源或較高次諧波會(huì )對通信及信息處理設備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量、計算機無(wú)法正常工作，重則導致信息丟失，使工控系統崩潰。

    諧波所產(chǎn)生的危害如此之嚴重，世界各都對諧波問(wèn)題予以充分關(guān)注。上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì )議，不少和學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。標GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值和諧波電流允許值分別見(jiàn)表1-1和表1-2：

表1-1  公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值

表1-2  注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

2、諧波的治理

    傳統的LC無(wú)源調諧濾波器的方法可以降低諧波電流，又可以補償無(wú)功功率，而且結構簡(jiǎn)單，故一直被廣泛使用，但這種方法的大缺點(diǎn)就是其性能要受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，易和系統發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波電壓放大，如果保護措施不得力，甚至使LC濾波器過(guò)載或燒毀。有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是“用戶(hù)電力技術(shù)”中一種非常重要的裝置，它能抑制電流諧波及閃變等，用以補償負荷電流中的諧波和無(wú)功，使電源側電流保持為正弦波，從而防止諧波對電網(wǎng)的污染和提高功率因數。這種補償器主要用在對非線(xiàn)性負荷所產(chǎn)生的諧波源進(jìn)行治理。

    安科瑞電氣股份有限公司開(kāi)發(fā)的ANAPF系列有源電力濾波器，采用實(shí)時(shí)的檢測方法，得到電網(wǎng)電壓或電流中的波動(dòng)、不對稱(chēng)、諧波等畸變分量，利用快速的電力電子功率器件（IGBT）產(chǎn)生與其相反的波形，再將其抵消掉。原理如圖2-1所示：

圖2-1  ANAPF有源電力濾波器原理圖

3、有源濾波案例

    某卷煙廠(chǎng)動(dòng)能車(chē)間卷接配電室，配置兩臺2000KVA的干式變壓器，由于其負卷包車(chē)間使用了大量變頻器，曾引起電抗器損壞、低壓開(kāi)關(guān)燒毀，我們使用FLUKE434電能質(zhì)量分析儀對其中一臺變壓器負載進(jìn)行測量，測試點(diǎn)位于電容補償后負載前的母排，測量發(fā)現變壓器副邊側5次電流諧波達到148A，7次諧波電流達到4，從波形上明顯看到畸變嚴重?？傠娏鳛?46A，畸變率為22.2%，總的諧波電流可以計算出為746×22.2%=165.61A。

    治理方案：在變壓器副邊側并聯(lián)接入200A有源電力濾波器對其諧波進(jìn)行集中治理，使系統正常運行不受諧波危害。方案如圖3-1所示。

圖3-1  ANAPF集中治理方案圖

安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術(shù)參數見(jiàn)表3-1和表3-2。

表3-1   ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數

表3-2  ANAPF有源濾波器報價(jià)及主要元件清單

注：以上技術(shù)參數或器件名稱(chēng)、數量如有更改，恕不另行通知。

4 諧波治理效果

    安裝200A有源電力濾波器后，電流畸變率得到大幅度下降，電流波形圖由投入前的不規則變?yōu)橥度牒蟮慕咏也?。治理前后波形如圖4-1所示。同時(shí)功率因數得到提高，減少了線(xiàn)路的功率損失，提高了電網(wǎng)輸電效率，可節約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費開(kāi)支。

圖4-1  治理前后波形對比

5、諧波治理經(jīng)濟效益

    配電系統中無(wú)功主要靠無(wú)功柜補償，但是諧波對無(wú)功柜內電容的損害非常嚴重。電容器的壽命跟加在電容上的電壓、電容運行環(huán)境溫度和電容器投切次數密切相關(guān)。根據電容器廠(chǎng)商EPCOS的測試數據，電容器運行壽命可以用以下公式表示：

    其中LE為電容實(shí)際運行壽命；LEn是電容器期望壽命；Xv是電壓系數；Xt是溫度系數；Xs是投切系數。系數關(guān)系表如表5-1：

表5-1 電容實(shí)際壽命與電壓、溫度及切頭次數關(guān)系

    以EPCOS電容器為例，正常工作電壓400V，工作溫度35℃，每年投有阻尼切次數不大于5000次，那么該電容器的使用壽命即為正常壽命。

    在諧波環(huán)境下工作的電容，由于電容對諧波呈低阻抗特性，所以先溫度會(huì )大大上升，溫度Xt將變??；由于有諧波會(huì )產(chǎn)生壓降，為提高功率因數，電容電壓大于線(xiàn)電壓，這導致電壓系數Xv也變??；另外高溫會(huì )導致電容容值下降，為保證功率因數，電容投切次數必然上升，切投系數Xs同時(shí)減小。因此根據上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn，也即在諧波環(huán)境下工作的電容壽命為正常環(huán)境下電容壽命的十分！

    由于諧波環(huán)境下電容器更容易損壞，頻繁的更換電容直接導致硬件成本的上升；另外電容柜是供電系統中提供無(wú)功大的電器柜，電容出現故障必然會(huì )導致功率因數下降，繼而會(huì )因功率因數低而被罰款。以電容正常壽命5年計算，在諧波環(huán)境下運行的電容半年就要更換。該卷煙廠(chǎng)每臺變壓器配有無(wú)功ABB電容器，單個(gè)25Kvar，共800kvar。ABB電容器價(jià)格在2000元左右，在與該卷煙廠(chǎng)現場(chǎng)工作人員交流中了解到，平均每月都會(huì )更換一個(gè)電容。也即一年僅更換電容就有24000元的經(jīng)濟損失。由于諧波影響，電容壽命為正常壽命的十分，也即更換頻率為正常的10倍！這并不包括由于電容容量的降低使得功率因數低而罰款和這期間各種其他間接損失。由此可以看出諧波產(chǎn)生的直接經(jīng)濟損失十分巨大。

6 結束語(yǔ)

    近年來(lái)，變頻器因其驅動(dòng)電機系統節能明顯、調節方便等點(diǎn)被廣泛應用于大量工廠(chǎng)，但同時(shí)因其非線(xiàn)性工作方式產(chǎn)生的高次諧波也給電網(wǎng)系統帶來(lái)了一定的影響，其危害已不可忽視。對于電能質(zhì)量要求越來(lái)越嚴格的今天，并聯(lián)型有源電力濾波器是一種特別適合煙草行業(yè)諧波治理的方案。ANAPF有源電力濾波器能很好的抑制電網(wǎng)中的諧波污染，極大電網(wǎng)的電能質(zhì)量，良好滿(mǎn)足設備的運行要求和標準。

參考文獻

[1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：標準出版社，1994.

[2]王萍.諧波治理在卷煙行業(yè)變配電中的應用.

[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊2014.1版.