電磁加熱器的諧波干擾治理

楊利建

【摘 ?要】隨著我國經濟的快速發展，用電需求不斷增加，特別是近幾年變頻器、整流設備及電磁加熱器投入市場，給電網帶來了諧波與電磁干擾。本文著重介紹電磁加熱器諧波干擾的治理。

【關鍵詞】諧波;電磁干擾;功率因數;中頻爐;畸變

1諧波的概述

1.1諧波的定義

供電系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。

1.2諧波源

諧波源是指向公用電網注入諧波電流或在公用電網中產生諧波電壓的電氣設備，電力系統中電力電子裝置是最主要的諧波污染源，例如這兩年的電磁加熱器就是代表.

1.3諧波產生的原因

諧波產生的原因就是由于非線性負載所導致的。比如說當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，形成非正弦電流，就是電流的畸變。同理，電壓波形不再保持理性的正弦變化波形稱為電壓畸變。而電網諧波的產生是由于電網中存在著非線性負荷，例如電力變壓器和電抗器、可控硅整流設備、電弧爐、以及電磁加熱器等，另外，當系統中發生諧振時，也就產生了諧波。

2電磁加熱器

2.1電磁加熱器介紹

電磁加熱器（Electromagnetic heater）是一種利用電磁感應原理將電能轉化成熱能的裝置，電磁加熱控制器將AC220V，50/60Hz的交流電整流變成直流電，再將直流電轉成頻率為20-40KHz的高頻高壓電，或者是380V 50/60Hz的三相交流電轉換成直流電再將直流電轉換成10～30KHz的高頻低壓大電流電，用來工業產品加熱。目前我們用的最多的是AC380V 50Hz，10～15KHz的中頻加熱設備，它常常與電磁加熱線圈配套使用。

2.2產生根源

電磁加熱器在工作時會產生較高含量的諧波電流并且功率因數較高，其中整流裝置為 6 脈波整流的中頻爐，其特征諧波為 6n±1 次諧波電流（即 5、7、11、13？？？次諧波），大量諧波電流會傳輸到電網中，是電網負載中最大的諧波源之一。

3中頻爐概念

中頻爐，中頻電爐使用電源方式不同于工頻電鍋爐，是將380V的工頻交流電源輸入中頻電源柜（中頻電源柜內，一般是10-30KHz，具有過壓保護、過流保護、如有過壓、過流現象會自動停機報警），在中頻電源柜內將工頻交流電源整流為單相直流電，再通過逆變成為單相交流中頻電壓、電流（單相交流中頻電壓、電流是安全的），將單相交流中頻電壓、電流輸入加熱器產生感應電對鍋爐內的物體進行感應加熱。

4電磁加熱器產生的危害

電磁加熱器對電磁爐加熱，產生的諧波會嚴重影響電網的完全運行，具體表現在以下幾個方面 ?危害一：諧波電流在變壓器中產生渦流，使變壓器過熱，降低了變壓器的輸出容量，使變壓器的噪聲增大，嚴重影響變壓器的壽命。危害二：諧波電流的趨附效應會使導線等效截面變小，增加線路損耗。由于諧波次數高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統母線側及線路感抗與系統串聯，提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯，在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。危害三：諧波過電壓會影響電網上其它各種電氣設備不能正常工作。諧波對異步電動機的影響，主要是增加電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電動機過熱。尤其是負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場，形成與電動機旋轉方向相反的轉矩，起制動作用，從而減少電動機的出力。另外電動機中的諧波電流，當頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機產生機械振動，發出很大的噪聲。危害四：導致自動控制裝置產生誤動作，儀表計量不準確。對于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發熱，同時由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數越高影響越大;熱磁型的斷路器，由于導體的集膚次應與鐵耗增加而引起發熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產生。對于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發熱，出現誤動作或不動作。對于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。危害五：諧波會干擾附近通訊設備正常運行。危害六：諧波產生的瞬態過電壓會使設備的絕緣破壞，產生短路故障。危害七：諧波會引起公共電網中局部產生并聯諧振和串聯諧振，導致設備故障或損壞。

5電磁加熱器諧波治理方案

1）加大變壓器容量，相對于諧波干擾相應地減小，并在諧波源配電柜處，電容器加裝串聯電抗器，防止電容對諧波的放大。2）就地諧波治理最重要：在該中頻爐出線回路中并聯一臺有源濾波裝置，有源濾波裝置的優勢：（1）有源濾波是濾除諧波最有效的方式，其基本原理是“抵消”，有源濾波裝，置檢測出諧波電流后，產生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流，從而抵消諧波電流分量，使電網電流中只含基波分量。（2）有源濾波能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。（3）濾除諧波的效率能達到 90%以上。（4）裝置對尖峰過電壓、諧波過電壓、操作過電壓等進行綜合諧波保護。尤其是對諧波過電壓能起積極的消諧作用，保護設備的穩定運行，不受過電壓干擾。3）對整流設備增加整流倍數4）保持三相負荷平衡5）加強對非線形負荷用戶的管理，組織有關人員在送電前進行諧波評估，嚴格執行供電營業規則第五十五條：電網公共連接點電壓正玹畸變率和用戶注入電網的諧波電流不得超過國家標準GB/T14549-93的規定。這些條款已經對諧波治理有了明確的要求，但實際存在著很大的差距，主要表現在：供電企業基層對諧波產生的原因及危害不太了解，供電企業目前沒有普及諧波測試的設備和技術，由于專業測試數據儀器成本較高。

6結束語

諧波污染已引起社會的高度重視。以電磁加熱器為例，隨著對諧波產生的機理、諧波現象的進一步認識，將會找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時也有助于制定更加合理的諧波管理標準。加大對諧波研究的投入將會大大加快對諧波問題的解決，當然諧波問題的最終解決將取決于相關技術的發展，特別是電力電子技術的發展。隨著國民經濟、諧波抑制技術的進一步發展、法制的進一步完善和對高效利用能源要求的增強，諧波治理問題最終將會得到妥善的解決。在國內，電能質量治理工作已經深入開展，對綜合動態的諧波治理措施及電網的無功功率補償問題已提上日程。但是要消除諧波污染，除在電力系統中大力發展高效的濾波措施外，在設計、制造和使用非線性負載時，應預先采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網，從而真正減少由于諧波污染帶來的種種危害。

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（作者單位：武漢吉隆集團）