干熄焦配電系統諧波分析及抑制

續偉民， 昌軍勝， 畢建軍， 荊 琳

（安陽鋼鐵集團有限責任公司，河南安陽455004）

安鋼集團焦化廠干熄焦工程試運行期間，提升機變頻器的電流型漏電保護斷路器頻繁跳閘，導致提升機無法正常工作，嚴重影響了生產的順利進行。

1 原因初探

漏電保護斷路器每次跳閘后，經仔細檢查及相關測試均未發現明顯故障點，試送也均成功，但提升機加速時，則又跳閘。

排除了漏電保護斷路器的定值整定、自身故障和接線錯誤后，綜合各方面的因素，分析后認為故障的原因可能是由于變頻器運行時，輸出的電壓中包含諧波分量。

較大的諧波電流注入變頻器配電系統所致。電動機繞組與外殼之間、導線對地之間存在著較大的分布電容，這些分布電容通過導線與地、機殼與地構成漏電電流通路［1］。在電網正常供電的情況下，電源線上只有50Hz的工頻電壓，由于頻率較低，通過分布電容的漏電流很小。但當變頻器驅動電動機時，由于變頻器輸出的是幾千赫茲的高頻脈寬調制的電壓波形，輸出電壓為快速跳變的脈動電壓，對于相同的電動機同樣的分布電容，漏電流會增大百倍以上，這是由變頻器的工作原理決定的。同時，由于是電纜供電，分布電容較大，對高次諧波為低阻，故諧波的存在又導致漏電流劇增，致使經常誤跳閘；因此，懷疑諧波是導致變頻器的電流型漏電保護斷路器頻繁跳閘的根源，本文進行了相關點的諧波測試及分析［2］。

2 諧波測試及分析

2.1 干熄焦配電系統簡介

干熄焦高壓配電系統如圖1所示。兩段10kV母線，共有4臺變壓器，其中，提升機變壓器均為10／0.4kV，容量均為1 000kVA，2臺動力變壓器的負載主要是水泵和除塵風機，提升機變壓器的主要負載是4臺調速電動機（2臺315kW和2臺37kW），提升機從啟動、加速到勻速提升過程約需10s，然后是平移過程，最后是減速至零完成卸料，整個過程約持續100s。

圖1 干熄焦配電系統主接線簡圖

2.2 諧波測試及分析

諧波測試時段：2011年3月1日10∶00至3月2日10∶00。

測試儀器：Fluke公司43B電能質量分析儀（美國Fluke公司），電壓測量范圍為5～600V，電流范圍為0～5 000A，精度為±0.5%。

諧波測試點位置：干熄焦配電室10kV開關柜。

2011年3 月1日8∶00起變壓器帶載運行，至10∶00變壓器二次側所帶負載全部開啟，隨后在干熄焦配電室做參數粗調；經過一段時間運行后，于下午進行參數細調。測試以及數據采集工作于3月2日10∶00全部完成。

測試儀器：美國Fluke公司Fluke 43B電能質量分析儀，電壓測量范圍為5～600V，電流范圍為0～5 000A，精度為±0.5%。

測試數據分析：將諧波測試點1和測試點3數據與公用電網諧波電流極限值（GB／T 14549）（見表1）比較后可知諧波皆不超標，表2為測試點3的電流電壓測試數據，與表1比較后可知，5、7、11、13次的諧波皆嚴重超標，需進行治理。

表1 公用電網諧波電流極限值（GB／T 14549）［3］

表2 測試點3電流電壓測試數據（TA變比：150／5）

最終結論：由測試數據可以看出，電壓波動較大，5.96～6.16kV 波動，且電流畸變率很高，在整個提升機的工作過程中，畸變率最高曾達到66.3%，故急需對提升機的供電支路進行諧波治理。從而也驗證了“諧波是導致頻繁跳閘的根源”的初診結論。

3 應對措施及效果

3.1 常用的消諧措施及選擇分析

本質上任何變頻器都或多或少會產生輸入諧波電流，只是程度不同而已，故常說“用好變頻器治理諧波是關鍵”。

（1）減少回路的阻抗

諧波產生的根本原因是使用了非線性負載。由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上的其他負載，引起諧波電流在其上流過；因此，減少諧波危害可通過加大電纜截面積、減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內多采用提高變壓器容量、增大電纜截面積、加大中性線電纜截面、選用整定值較大的漏電保護斷路器及熔斷器等保護元件等辦法，但這些方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，同時還加大了投資，增加了供電系統的隱患。

（2）增加變頻器供電電源內阻抗

通常電源設備的內阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容無功功率的作用。這種內阻抗是變壓器的短路阻抗，當電源容量相對于變頻器容量越小時，內阻抗值相對越大，而諧波含量越小；當電源容量相對于變頻器容量越大時，內阻抗值相對越大，諧波含量就越大；因此，選擇變頻器供電電源變壓器時，最好選擇短路阻抗大的變壓器。但是，剛投運即更換變壓器，顯然不合適［4］。

（3）安裝電抗器

安裝電抗器實際上是從外部增加變頻器供電電源的內阻抗。在變頻器的交流側安裝交流電抗器或在變頻器的直流側安裝直流電抗器，或同時安裝，可以抑制諧波電流。當電抗器運行時，由于周圍存在較強的外漏磁場；因此，需安裝在獨立的空間，但干熄焦工程現場已無合適的安裝場地，并且若采用電抗器則整個配電系統結構將進行大規模變更，顯然也行不通。

（4）換用“綠色”變頻器

采用產生諧波電流小的變頻器。變頻器本身不對電網造成諧波污染，即可謂“綠色”電力電子產品，這從本質上解決了諧波污染問題。但新變頻器剛運行就更換，顯然也不現實。

（5）加裝有源濾波器［5］

利用有源濾波器檢測變頻器諧波電流的幅值和相位，并產生一個與諧波電流幅值相同且相位相反的電流，通到變頻器中，從而可以非常有效地吸收諧波電流。有源濾波器占用空間小且無特殊要求，安裝、調試時間短，比較可行。

3.2 諧波治理方案實施及效果

3.2.1 方案目標

在任意運行方式和供電情況下，吸收系統諧波電流，使配電系統的諧波電流含量與電壓畸變率符合相關的國家標準或電力系統的行業標準。通過諧波電流抑制，消除對控制系統的高頻電磁干擾，確保系統安全正常運行。

3.2.2 方案實施

為解決諧波對提升機系統造成的影響，考慮到方案實施的便利性及成本投入，經綜合分析及充分論證，最終確定在提升機變壓器低壓側進行諧波治理的方案。

由于測試的提升機變壓器二次諧波電流高達207.6A，考慮到裕量，為達到最好濾波效果，經計算和論證，最終決定采用2臺150A、型號為SPA 4－150A／0.4的有源電力濾波器，其主接線簡圖如圖2所示。當有源電力濾波器因故障退出運行時，不應影響其他設備的運行，任何一種運行方式不會引起電力系統的諧振。

圖2 有源電力濾波器主接線簡圖

投入濾波器后，電流波形從治理前的非正弦波變為平滑的正弦波。治理前后的工況情況如圖3和圖4所示，由圖3可見，投入濾波器前相線電流畸變率為41.7%，投入后相線電流畸變率降低為3.7%；相線上的5次諧波由134.8A降為10.0A；7次諧波由47.7A降為3.2A；11次諧波由24.4A降為3.1A；13次諧波由10.7A降為1.6A。由此可以直觀地看出有源電力濾波器的投入很大程度上改善了電能質量。

該濾波裝置運行至今，運行穩定，滿足使用要求。經過治理后，諧波電流和電流畸變率均明顯降低，從而有效地保護了設備的使用安全，延長了設備的使用壽命，避免了變頻器的頻繁跳閘，保證了整個生產線的設備順行。

4 結 語

圖3 電流波形圖

對變頻器跳閘故障的及時處理，一方面確保了整個生產線的順利運行，為生產線的維護管理提供了寶貴的經驗，積累了有價值的技術資料；另一方面增強了對諧波危害性的認識；同時，也為今后相關工程的設備選型提供了可吸取的教訓。今后在設備的選型、保護配置和計量裝置的使用上，應充分考慮諧波對電力設施的影響，選用先進的設備，并考慮設備間的相關性。

［1］李文森.工業變頻器原理及應用［M］.北京：電子工業出版社，2011.

［2］李中華.游梁式抽油機井應用變頻器問題淺析［J］.內江科技，2011，32（2）：114.

［3］GBT 14549—1993電能質量公用電網諧波［S］.北京：國家技術監督局，1993.

［4］馬志峰.變頻器的諧波危害及對策［J］.自動化技術與應用，2007，26（9）：119－120.

［5］金建新.變頻器的諧波危害及其治理措施［J］.變頻器世界，2010，（8）：111－113.