諧波治理對電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的作用

張琰美

摘要：隨著電弧爐、中頻爐等非線性用電設(shè)備接進(jìn)電網(wǎng)，將其產(chǎn)生的諧波電流注進(jìn)電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，造成電能質(zhì)量下降，同時威脅與電網(wǎng)相連的各種電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文旨在從諧波的產(chǎn)生、諧波帶來的危害、諧波治理方法、諧波治理帶來的成效來闡述諧波治理的重要性，讓企業(yè)由被動接受到主動進(jìn)行諧波治理改造。

關(guān)鍵詞：諧波危害;治理方法;成效分析

一、諧波的產(chǎn)生

諧波是由于大量電力電子設(shè)備非線性負(fù)載的投入運(yùn)行，導(dǎo)致供電電壓電流波形發(fā)生畸變，通過對畸變的電壓、電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉分解，分解出的頻率高于50HZ基波頻率的分量成為諧波。為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：

（1）電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。

（2）交流整流的直流用電設(shè)備：如電解、電鍍等。

（3）交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速等。

（4）開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。如：某企業(yè)的中頻爐通過35kV整流變進(jìn)行供電生產(chǎn)，由于整流電源的采用的是二極管整流技術(shù)，若電源變壓器單個繞組側(cè)采用的是六脈動整流技術(shù)，則產(chǎn)生的諧波主要以 5， 7， 11，13 次諧波為主。

二、諧波帶來的危害

（1）增加電力設(shè)施負(fù)荷，降低系統(tǒng)功率因數(shù)，降低發(fā)電設(shè)備的有效容量和效率，造成電能損失;

（2）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;

（3）產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩致使電動機(jī)振動，影響產(chǎn)品質(zhì)量和電機(jī)壽命;

（4）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;

（5）諧波電壓以正比于其峰值電壓的形式增強(qiáng)了絕緣介質(zhì)的電場強(qiáng)度，降低設(shè)備使用壽命;

（6）零序（3的倍數(shù)次）諧波電流會導(dǎo)致三相四線系統(tǒng)的中線過載，并在三角形接法的變壓器繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，使繞組電流超過額定值，嚴(yán)重時甚至引發(fā)事故。

（7）諧波變改變了電壓或電流的變化率和峰值，延緩電弧熄滅，影響斷路器的分?jǐn)嗳萘?

三、諧波治理的方法

諧波治理就是通過各種措施減少諧波的產(chǎn)生或者使產(chǎn)生的諧波流入濾波設(shè)備，或者抵消產(chǎn)生的諧波等手段，使電網(wǎng)上的諧波含量符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。諧波治理措施主要有兩種：增加無源濾波設(shè)備或有源濾波設(shè)備。

（1）無源濾波器，又稱LC濾波器，主要有無源元件R、L和C組成。是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，可對主要次諧波（3、5、7）構(gòu)成低阻抗旁路;單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)，至今仍是被廣泛應(yīng)用諧波治理方法。

（2）有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動消除電力諧波。

當(dāng)前我縣結(jié)晶硅行業(yè)和鋼鐵行業(yè)單臺變壓器容量一般為5000kVA至25000Kva，因此諧波治理主要采用無源濾波設(shè)備。

四、諧波治理帶來的成效

下面簡單介紹我縣某鋼鐵廠安裝進(jìn)行諧波治理后帶來的成效：

1、企業(yè)基本情況：

配電系統(tǒng)采用 35KV 進(jìn)線，主接線方式為單母線分段。共有五臺中頻爐，分別由五臺整流變ZS-6300KVA/35進(jìn)行供電，Ⅰ段進(jìn)線下連接三臺整流變， Ⅱ段進(jìn)線下連接兩臺整流變， 每臺整流變負(fù)荷最大為 7000KVA 左右。

2、諧波治理方案：

縣供電公司力率考核值為0.90，通過計算、修正及仿真， 本方案設(shè)計在整流變補(bǔ)償繞組35kV側(cè)各加裝一套濾波補(bǔ)償裝置，設(shè)計單套濾波裝置基波補(bǔ)償容量為6000kvar（能滿足用戶平均功率因數(shù)在 0.95 以上），裝置共分為 5，7，11 次（高通）3 個濾波通道3條濾支路。本方案設(shè)計系統(tǒng)總安裝容量為 12000kvar，此方案總投資約100萬元。

3、諧波治理帶來的成效：

設(shè)該鋼鐵公司 5臺整流變有功27MW，每天正常工作10 小時，一年工作 300 天，最大負(fù)荷全年耗電時間為 3000 小時（τ），平均功率按 27MW 計算，假設(shè)每度電費(fèi)為0.58 元。線路電能損耗與傳輸電能比為0.03以δ表示，則補(bǔ)償后的全年節(jié)電量：

△WL=SL×cosφ1×δ×τ×{1-[cosφ1/cosφ2]2}

≈446225（kw·h）

（2）補(bǔ)償后變壓器全年節(jié)電量：

△WT=△Pd*（S1/S2）2×τ×[1-（cosφ1/cosφ2）2] ?≈162028（kw·h）

式中Pd 為變壓器短路損耗， 約為 250KW

（3）補(bǔ)償投入后的全年總的節(jié)電效果：

Y=（△WL+△WT）*0.58≈35.28 萬元

（4）力率電費(fèi)的節(jié)約：

根據(jù)用戶地區(qū)的電費(fèi)計價方式，用戶全年應(yīng)交納的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)約為：因無功補(bǔ)償裝置投入后，系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到了功率因數(shù)考核點(diǎn) 0.95 以上，故不會再產(chǎn)生功率因數(shù)罰款電費(fèi)，反而還會有部分電費(fèi)獎勵。

力率獎勵電費(fèi)=有功電費(fèi)*力率=有功功率*全年工作小時*電費(fèi)單價*力率=27000*3000*0.58*（0.75%+2.5%） ≈152.685 萬元

（5）合計全年節(jié)約電費(fèi)：

35.28+152.685≈187.965 萬元

該企業(yè)投資約100萬元進(jìn)行諧波治理，約半年即可回收成本，不僅提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，確保了清潔合格的電能供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)雙贏。

結(jié)語：

電力工作者應(yīng)大力開展諧波治理工作，除了對新受理用戶新建、增容或改造業(yè)務(wù)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，并要求提供有資質(zhì)單位出具的電能質(zhì)量評估報告方可竣工驗(yàn)收送電外，還要向電力客戶普及電能質(zhì)量知識，宣傳諧波治理所帶來的供用雙贏效益，得到用戶的認(rèn)可和配合，讓企業(yè)由被動接受到主動進(jìn)行諧波治理改造，確實(shí)充當(dāng)電能“凈化器”。