鋼鐵廠電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生及治理研究

李賀昌，程寶芳，蔣海牙

引言

“諧波”一詞起源于聲學(xué)，關(guān)于諧波的數(shù)學(xué)分析在18、19世紀(jì)已經(jīng)奠定了基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍然被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)諧波問題早在20世紀(jì)20年代便引起了人們的注意。到了20世紀(jì)50年代，世界各國(guó)都對(duì)電網(wǎng)諧波問題予以充分的關(guān)注。“諧波、電磁干擾、功率因數(shù)”是目前國(guó)際上公認(rèn)的電網(wǎng)三大公害，其中諧波公害排首位。因此研究降低電力系統(tǒng)諧波的方法是十分必要的。

1　諧波的定義及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及危害

國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)(IEC555-2，1982)中關(guān)于諧波的定義是：“諧波分量為周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于1的h次分量”。對(duì)于我國(guó)使用50 Hz電源來說基波為50 Hz，5次諧波為250 Hz，以此類推。

根據(jù)國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549－93）的規(guī)定，供電系統(tǒng)允許電壓畸變率如表1所示。

諧波產(chǎn)生的根本原因是用電負(fù)荷的非線性特性導(dǎo)致的，也就是說用電負(fù)荷的電壓與電流不成線性關(guān)系造成的波形呈現(xiàn)不規(guī)則的非正弦特征，通常我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)在正弦波形出現(xiàn)大量毛刺。這種電流波形是由基波和與高次諧波組成，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真。

表1　公用電網(wǎng)諧波電壓限值

目前公認(rèn)的諧波源主要有三大類：

（1）電子開關(guān)型：各種以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備，主要為變頻器以及大容量的電力晶閘管和可控開關(guān)設(shè)備等。

（2）鐵磁飽和型：各種鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性特征的鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等。

（3）電弧型：冶煉電弧爐在熔化期間，由于其三相短路加熱特征導(dǎo)致電流不規(guī)則的波動(dòng)。如LF爐等設(shè)備通過石墨電極與鋼液間產(chǎn)生電弧作為熱源。

諧波產(chǎn)生的危害主要有：危害設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行如電容器對(duì)高次諧波呈現(xiàn)低阻抗特性，諧波電流導(dǎo)致電容器長(zhǎng)期工作在過載情況。諧波會(huì)使電動(dòng)機(jī)的損耗增多、溫升加劇。諧波會(huì)引發(fā)保護(hù)裝置受到干擾而誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成可靠性降低。諧波會(huì)導(dǎo)致測(cè)量和計(jì)量設(shè)備產(chǎn)生誤差。精密、精細(xì)加工工藝流程會(huì)因諧波問題而無法正常生產(chǎn)。

2　鋼鐵廠電力系統(tǒng)諧波及治理情況

目前治理諧波的方法主要有兩種：（1）采用無源濾波器PPF(Passive Power Filter）或稱為L(zhǎng)C濾波器。（2）采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)。有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制方法缺點(diǎn)。其缺點(diǎn)是造價(jià)太高，受硬件限制，在大容量場(chǎng)合無法使用，有源濾波容量單套不超過100 kVA，目前最高應(yīng)用電網(wǎng)電壓不超過690 V。以下就某鋼鐵熱軋生產(chǎn)線的諧波治理情況進(jìn)行分析。

某110 kV變電站所帶熱軋生產(chǎn)線，35 kV系統(tǒng)主要為主傳動(dòng)供電，其主傳動(dòng)采用交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中含有大量的變頻裝置及大量大功率的功率元件，在實(shí)際生產(chǎn)過程中多次發(fā)生主傳動(dòng)元件（IGCT）燒毀、輔傳動(dòng)在制動(dòng)回饋是整流單元報(bào)警等一系列故障，影響了正常生產(chǎn)。供電系統(tǒng)運(yùn)行方式如圖1所示，主要對(duì)1#主變和3#主變中壓35 kV和低壓10 kV側(cè)進(jìn)行諧波測(cè)試。

圖1　供電運(yùn)行方式測(cè)試點(diǎn)示意圖

測(cè)試數(shù)據(jù)2～25次諧波含量均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，其中35 kVⅠ段1.75%，35 kVⅢ段為1.93%，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為3%（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅要求測(cè)量25次以內(nèi)的諧波），但是35 kVⅠ段高次諧波35、37、47、49次諧波含量偏高，其中47次諧波超標(biāo)（額定2.4%，實(shí)際2.402%）。具體如圖2所示。

3　鋼鐵廠電力系統(tǒng)諧波治理情況

圖2　某35 kV變電站諧波電壓情況

根據(jù)35 kV系統(tǒng)高次諧波超標(biāo)的情況，為了降低35 kV高次諧波含量使總諧波含量降低至國(guó)標(biāo)允許范圍內(nèi)，最終確定在35 kV系統(tǒng)加裝一套高次諧波吸收裝置同時(shí)考慮投入諧波吸收裝置后避免無功返送的情況，確定在35 kV系統(tǒng)投入固定式補(bǔ)償電容器（7.2 Mvar）以消除高次諧波、同時(shí)并聯(lián)5 Mvar的并聯(lián)電抗器，避免35 kV系統(tǒng)無功返送。在投入濾波裝置后該生產(chǎn)線的運(yùn)行情況較之前明顯好轉(zhuǎn)，功率元件燒毀現(xiàn)象明顯減少，高次諧波含量明顯降低，電壓波形顯著改善。諧波治理方案主接線圖如圖3所示。電壓波形改善前后如圖4、5所示。

圖3　諧波治理方案一次系統(tǒng)圖

圖4　改善前35 kV母線電壓波形

圖5　改善后35 kV母線電壓波形

4　結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，大量整流、逆變及大功率元件的應(yīng)用，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量普遍反映出越來越不能滿足用電設(shè)備的正常生產(chǎn)的需要。為確保電力系統(tǒng)電能質(zhì)量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，確保各類電力設(shè)備設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行，需要系統(tǒng)地考慮諧波的治理問題。

通過上述分析，對(duì)于軋線上整流逆變裝置偏多的情況可能會(huì)產(chǎn)生高次諧波，而且高次諧波超標(biāo)同樣會(huì)影響用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行水平，通過增設(shè)高通濾波器，能夠減少和抑制高次諧波的危害，提高工藝用電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行水平。建議從以下方面加強(qiáng)電力系統(tǒng)的諧波管理，并進(jìn)行治理：

（1）重視高次諧波的監(jiān)測(cè)和治理。定期對(duì)電力系統(tǒng)高次諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，一旦存在高次諧波超標(biāo)的情況應(yīng)視情況進(jìn)行補(bǔ)償。

（2）做好對(duì)用戶新建或增容諧波源等進(jìn)行合理的諧波檢測(cè)工作，建立用戶檔案，對(duì)超出諧波標(biāo)準(zhǔn)的用戶，及早采取限制措施，以減少對(duì)電網(wǎng)及對(duì)自身用電的污染。

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