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(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在生產(chǎn)機(jī)械、辦公設(shè)備、家用電器中，大量使用整流設(shè)備；如：電化學(xué)工業(yè)、變頻調(diào)速、直流電源、計(jì)算機(jī)、節(jié)能燈、電視機(jī)等。這些設(shè)備在運(yùn)行使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，注入電網(wǎng)。電網(wǎng)中的諧波過大，會(huì)產(chǎn)生一系列的嚴(yán)重問題，如：增加電力設(shè)施負(fù)荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的有效容量和效率，造成設(shè)備浪費(fèi)、線路浪費(fèi)和電能損失；引起無功補(bǔ)償電容器諧振和諧波電流放大，導(dǎo)致電容器組因過電流或過電壓而損壞或無法投入運(yùn)行；產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩致使電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機(jī)壽命；由于渦流和集膚效應(yīng)，使電機(jī)、變壓器、輸電線路等產(chǎn)生附加功率損耗而過熱，浪費(fèi)電能并加速絕緣老化；使計(jì)量儀表特別是感應(yīng)式電能表產(chǎn)生計(jì)量誤差，干擾鄰近的電力電子設(shè)備、工業(yè)控制設(shè)備和通訊設(shè)備，影響設(shè)備的正常運(yùn)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(dòng)的設(shè)備。在整流器輸入電流中有相當(dāng)數(shù)量的諧波的存在，其中整流器為6脈沖整流器，根據(jù)整流原理，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生很大的非正弦畸變電流，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重干擾，并導(dǎo)致 690V母線端產(chǎn)生畸變，為凈化電網(wǎng)，消除諧波危害，現(xiàn)就低壓母線側(cè)（0.69kV）進(jìn)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(fù)載（變頻器）容量很大，導(dǎo)致大量諧波產(chǎn)生，且諧波種類復(fù)雜同時(shí)諧波含量變化較快使電力系統(tǒng)電能質(zhì)量嚴(yán)重下降，給化工生產(chǎn)帶來一系列問題，為建立一個(gè)安全可靠的配電系統(tǒng)及提高電力系統(tǒng)質(zhì)量，在系統(tǒng)中測量點(diǎn)1、2分別進(jìn)行了諧波測量。電壓電流波形發(fā)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(diǎn)1電壓電流波形

圖3 測量點(diǎn)2電壓電流波形

測量數(shù)據(jù)主要針對基波、5、7、11、13次諧波進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，測量結(jié)果如下，見表1、表2。

表1 （測量點(diǎn)1）

表2 （測量點(diǎn)2）

為了保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，國家以及電力公司制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)，如《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》 GB/T14549-93諧波限制標(biāo)準(zhǔn)（見表3），GB/T14549-93是現(xiàn)行電力諧波監(jiān)督管理的國家標(biāo)準(zhǔn)，要求電網(wǎng)各級(jí)電壓諧波水平不超過國標(biāo)限值外，還要求用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流不超出國標(biāo)允許值，否則應(yīng)采取治理措施。公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值見表3。

表3

公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過表4中規(guī)定的允許值。當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，按下式修正。

換算修正后見表4。

表4

測量結(jié)果表明，測量點(diǎn)1的電壓畸變率為6.07%，超過表3中的國標(biāo)5%，電流諧波5次為471.1A（國標(biāo) 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(biāo)準(zhǔn)的 2.3倍，其他諧波電流在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。測量點(diǎn) 2電壓畸變率為 6.20%，超過表 3中的國標(biāo) 5%。電流諧波 5次為 336.8A（國標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的1.65倍，其他諧波電流在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

測量點(diǎn)1、2的總諧波畸變率不滿足GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，需要采取措施進(jìn)行諧波抑制。

2 治理諧波的方案的比較與確定

進(jìn)行諧波抑制與治理需要考慮到不應(yīng)與系統(tǒng)發(fā)生諧振，造成諧波放大，致使系統(tǒng)不穩(wěn)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(bǔ)償和諧波濾除無法同時(shí)兼顧，特別是高功率因數(shù)、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(wǎng)系統(tǒng)的短路阻抗，當(dāng)電網(wǎng)阻抗值大時(shí)濾除率高，但濾波器容易與系統(tǒng)形成諧振回路，在某一特定諧波次數(shù)上產(chǎn)生諧波放大甚至諧振，造成系統(tǒng)不穩(wěn)以至于崩潰；大多數(shù)的情況下不可能對所有的特征諧波裝設(shè)調(diào)諧支路，因此不能完全濾除特征諧波和非特征諧波；當(dāng)諧波頻率低于最低調(diào)諧頻率時(shí)，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(xiàn)鐵心飽和、電抗器發(fā)熱、噪聲大等問題；當(dāng)補(bǔ)償對象諧波電流過大時(shí)，容易發(fā)生過載現(xiàn)象。

相對于無源濾波，有源濾波實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償對象的變化有極快的響應(yīng)；可同時(shí)對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)；補(bǔ)償無功功率時(shí)不需貯能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需貯能元件容量也不大；即使補(bǔ)償對象諧波電流過大，有源濾波器也不會(huì)發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用；不受電網(wǎng)短路阻抗的影響，不會(huì)和系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生諧振；能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響；既可對一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償。

就兩種形式的電力濾波器，分別從七個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)劣比對，見表5。

表5

該裝置是寧波萬華工業(yè)園源頭工序，由一家外資企業(yè)提供工藝軟件包、設(shè)備及生產(chǎn)技術(shù)，外方在工藝連鎖條件中對電動(dòng)機(jī)溫升要求設(shè)置了嚴(yán)格條件。在諧波未治理前電動(dòng)機(jī)及變壓器的溫升較大。幾次電動(dòng)機(jī)的溫升過高導(dǎo)致工藝連鎖跳車，引發(fā)整個(gè)生產(chǎn)工藝裝置生產(chǎn)停車，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。為解決此問題再次發(fā)生，對電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測并評估，結(jié)合有源濾波和無源濾波的特點(diǎn)，也詳細(xì)比對了諧波治理的方案，考慮到存在諧振的風(fēng)險(xiǎn)，以及對諧波反應(yīng)相應(yīng)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(shí)施效果

在有源濾波器投入使用后，采用電能質(zhì)量測試儀進(jìn)行不間斷連續(xù)量測，獲得母線上的電流電壓波形、功率、諧波等詳細(xì)數(shù)據(jù)，測量點(diǎn)1的改善情況見表6、圖4、圖5。

表6 測量點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)2

4 實(shí)施后節(jié)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(chǔ)鐵損約 2.2kW，雜散損耗約 2.4kW，諧波導(dǎo)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(quán)平均值約為9倍。變壓器基波負(fù)載損耗17.9kW，滿載電流1822A，承擔(dān)諧波電流約為492A，諧波電流導(dǎo)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(jì)，諧波導(dǎo)致的其他損耗PL2≈690×492×1.732×2% = 11.75kW

諧波導(dǎo)致的附加損耗功率：

通過投入濾波器前后變壓器上側(cè)進(jìn)線功率變化來比較變壓器有功功率，一臺(tái)變壓器節(jié)能30kW左右，與理論計(jì)算比較接近。

2）濾波后產(chǎn)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(tái)10kW空調(diào)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(fā)熱比較嚴(yán)重，另外為考慮給電氣室?guī)淼臏囟扔绊懀渲每照{(diào)降溫，有源濾波器的損耗及空調(diào)的投運(yùn)功率之和也接近節(jié)能總量，因此節(jié)能效果并不明顯。

綜上所述，有源濾波器實(shí)際投入使用，確實(shí)有效的濾除了各次諧波，使配電網(wǎng)清潔高效，滿足國標(biāo)對配電網(wǎng)的要求，變壓器的溫升問題得到改善，原變壓器一直運(yùn)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(dòng)也有了改觀。另外還有一些看不到的改善實(shí)效，比如保障供電可靠性，降低干擾，增長變壓器、變頻器、電動(dòng)機(jī)、電纜等電氣設(shè)備壽命，減少設(shè)備損害。

5 結(jié)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(xiàn)階段不能大面積推廣，應(yīng)該在具體的工程設(shè)計(jì)施工中，根據(jù)實(shí)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(tǒng)諧波檢測與治理問題研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2009..

[2] 吳忠智,吳加林.變頻器應(yīng)用手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[3] 胡銘,陳衍.有源濾波技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2002(4).

[4] 國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T-14549-93.電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn).1993.