化工廠諧波分析與治理

張俊華 張汝山

（寧波萬華聚氨酯有限公司，浙江 寧波 315812）

隨著科學技術的進步，在生產機械、辦公設備、家用電器中，大量使用整流設備；如：電化學工業、變頻調速、直流電源、計算機、節能燈、電視機等。這些設備在運行使用過程中會產生大量的諧波電流，注入電網。電網中的諧波過大，會產生一系列的嚴重問題，如：增加電力設施負荷，降低系統功率因數，降低發電、輸電及用電設備的有效容量和效率，造成設備浪費、線路浪費和電能損失；引起無功補償電容器諧振和諧波電流放大，導致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運行；產生脈動轉矩致使電動機振動，影響產品質量和電機壽命；由于渦流和集膚效應，使電機、變壓器、輸電線路等產生附加功率損耗而過熱，浪費電能并加速絕緣老化；使計量儀表特別是感應式電能表產生計量誤差，干擾鄰近的電力電子設備、工業控制設備和通訊設備，影響設備的正常運行等等。

1 背景

寧波萬華聚氨酯有限公司某一裝置3#、4#變壓器下的全部是變頻器拖動的設備。在整流器輸入電流中有相當數量的諧波的存在，其中整流器為6脈沖整流器，根據整流原理，在工作過程中會產生很大的非正弦畸變電流，對電網造成嚴重干擾，并導致 690V母線端產生畸變，為凈化電網，消除諧波危害，現就低壓母線側（0.69kV）進行諧波分析和治理（如圖1所示）。

圖1 電氣主接線圖

由于非線性負載（變頻器）容量很大，導致大量諧波產生，且諧波種類復雜同時諧波含量變化較快使電力系統電能質量嚴重下降，給化工生產帶來一系列問題，為建立一個安全可靠的配電系統及提高電力系統質量，在系統中測量點1、2分別進行了諧波測量。電壓電流波形發生了較大的畸形，如圖2、3所示的電流電壓波形。

圖2 測量點1電壓電流波形

圖3 測量點2電壓電流波形

測量數據主要針對基波、5、7、11、13次諧波進行了統計，測量結果如下，見表1、表2。

表1 （測量點1）

表2 （測量點2）

為了保證電網和用電設備的安全、穩定、經濟運行，國家以及電力公司制定了相應的諧波標準，如《電能質量公用電網諧波》 GB/T14549-93諧波限制標準（見表3），GB/T14549-93是現行電力諧波監督管理的國家標準，要求電網各級電壓諧波水平不超過國標限值外，還要求用戶注入公用電網的諧波電流不超出國標允許值，否則應采取治理措施。公用電網諧波電壓（相電壓）限值見表3。

表3

公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應超過表4中規定的允許值。當電網公共連接點的最小短路容量不同于基準短路容量時，按下式修正。

換算修正后見表4。

表4

測量結果表明，測量點1的電壓畸變率為6.07%，超過表3中的國標5%，電流諧波5次為471.1A（國標 204.6A），7次 113.8A（145.2），11次 83.4A（92.4A），13次47.1A（79.2A）其中5次諧波最為突出，為國家標準的 2.3倍，其他諧波電流在標準范圍內。測量點 2電壓畸變率為 6.20%，超過表 3中的國標 5%。電流諧波 5次為 336.8A（國標204.6A），7 次 98.8A（145.2A），11次 61.8A（92.4A），13次43.3A（79.2A）其中5次諧波最為突出，為國家標準的1.65倍，其他諧波電流在標準范圍內。

測量點1、2的總諧波畸變率不滿足GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》的諧波限制標準，需要采取措施進行諧波抑制。

2 治理諧波的方案的比較與確定

進行諧波抑制與治理需要考慮到不應與系統發生諧振，造成諧波放大，致使系統不穩以至于崩潰，通常采取無源濾波或有源濾波措施，無源濾波無功補償和諧波濾除無法同時兼顧，特別是高功率因數、大諧波電流的條件下，諧波濾除率就的大打折扣，甚至不能濾波；濾波特性依賴于電網系統的短路阻抗，當電網阻抗值大時濾除率高，但濾波器容易與系統形成諧振回路，在某一特定諧波次數上產生諧波放大甚至諧振，造成系統不穩以至于崩潰；大多數的情況下不可能對所有的特征諧波裝設調諧支路，因此不能完全濾除特征諧波和非特征諧波；當諧波頻率低于最低調諧頻率時，阻抗特性變壞，且無源器件體積較大，如電容和空心電抗器，需要較大的安裝空間，如果采用鐵心電抗器則易于出現鐵心飽和、電抗器發熱、噪聲大等問題；當補償對象諧波電流過大時，容易發生過載現象。

相對于無源濾波，有源濾波實現了動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率需求進行補償，對補償對象的變化有極快的響應；可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續調節；補償無功功率時不需貯能元件，補償諧波時所需貯能元件容量也不大；即使補償對象諧波電流過大，有源濾波器也不會發生過載，并能正常發揮補償作用；不受電網短路阻抗的影響，不會和系統電網發生諧振；能跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響；既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償。

就兩種形式的電力濾波器，分別從七個方面進行了優劣比對，見表5。

表5

該裝置是寧波萬華工業園源頭工序，由一家外資企業提供工藝軟件包、設備及生產技術，外方在工藝連鎖條件中對電動機溫升要求設置了嚴格條件。在諧波未治理前電動機及變壓器的溫升較大。幾次電動機的溫升過高導致工藝連鎖跳車，引發整個生產工藝裝置生產停車，造成極大的經濟損失。為解決此問題再次發生，對電網的電能質量進行檢測并評估，結合有源濾波和無源濾波的特點，也詳細比對了諧波治理的方案，考慮到存在諧振的風險，以及對諧波反應相應能力，最終選擇采用某知名品牌有源濾波器，分別安裝在兩段母線上。

3 實施效果

在有源濾波器投入使用后，采用電能質量測試儀進行不間斷連續量測，獲得母線上的電流電壓波形、功率、諧波等詳細數據，測量點1的改善情況見表6、圖4、圖5。

表6 測量點1

圖4 電壓諧波由濾波前6.07%降到3.99%

圖5 電流諧波由濾波前30.4%降到12.21%

測量點2的改善情況見表格7、圖6、圖7。

圖6 電壓諧波由濾波前6.2%降到3.92%

圖7 電流諧波由濾波前29.54%降到9.82%

表7 測量點2

4 實施后節能效果分析

1）濾波前的變壓器損耗

（1）變壓器鐵損：S10-2000，690V基礎鐵損約 2.2kW，雜散損耗約 2.4kW，諧波導致鐵損和雜散損耗增加約 30% 則PL1≈(2.2+2.4)×30%=1.38kW。

（2）變壓器銅損：對于5次和7次諧波，交流電阻分別是基波交流電阻的7倍和13倍，加權平均值約為9倍。變壓器基波負載損耗17.9kW，滿載電流1822A，承擔諧波電流約為492A，諧波電流導致的附加損耗PL3≈17.9×(492/1822)2×9=11.74kW。

（3）其他雜散損耗，按視在功率的2%估計，諧波導致的其他損耗PL2≈690×492×1.732×2% = 11.75kW

諧波導致的附加損耗功率：

通過投入濾波器前后變壓器上側進線功率變化來比較變壓器有功功率，一臺變壓器節能30kW左右，與理論計算比較接近。

2）濾波后產生的損耗

（1）有源濾波器自身損耗為本體功率的3%左右，PL=690×400×1.732×3%=14.34kW

（2）配置一臺10kW空調降溫。

總體來說濾波前變壓器的銅損、鐵損及其他雜散損耗為30kW左右，但是有源濾波器發熱比較嚴重，另外為考慮給電氣室帶來的溫度影響，配置空調降溫，有源濾波器的損耗及空調的投運功率之和也接近節能總量，因此節能效果并不明顯。

綜上所述，有源濾波器實際投入使用，確實有效的濾除了各次諧波，使配電網清潔高效，滿足國標對配電網的要求，變壓器的溫升問題得到改善，原變壓器一直運行在65℃，甚至更高，投入后溫度能夠降低10℃，且變壓器的聲音和振動也有了改觀。另外還有一些看不到的改善實效，比如保障供電可靠性，降低干擾，增長變壓器、變頻器、電動機、電纜等電氣設備壽命，減少設備損害。

5 結論

目前有源濾波是諧波治理的方向，但是功率元件容量做不大，電壓做不高，成本很高，現階段不能大面積推廣，應該在具體的工程設計施工中，根據實際情況制定合理的配置方案，比如有源與無源濾波器的配合使用，有變頻器的地方集中治理等。

[1] 荊鍇.電力系統諧波檢測與治理問題研究[D].濟南：山東大學,2009..

[2] 吳忠智,吳加林.變頻器應用手冊[M].北京：機械工業出版社,1999.

[3] 胡銘,陳衍.有源濾波技術及其應用[J].電力系統自動化, 2002(4).

[4] 國家標準：GB/T-14549-93.電能質量標準.1993.