論工業廠房供配電系統諧波問題及對策

何仁彪

摘 要：結合當前的工業廠房供配電系統發展情況，從自身的工業廠房供配電系統設計的角度出發，分析了工業廠房電網諧波引發的故障，在此基礎上，有針對性地提出了諧波治理措施，結合案例探討了濾波器裝置在工程中的合理應用，希望對于有效解決工業廠房供配電系統諧波問題有所幫助。

關鍵詞：工業廠房;供配電設計;諧波問題;諧波原因;濾波器

隨著工業化大生產的逐步發展，工廠配電系統中的非線性負載應用量日趨增加。在這樣的情況下，非線性負載也會造成高頻率的諧波問題，在進行電源反饋環節中，會使得供電系統中存在著電壓不穩定或者電波畸形的問題，造成電能產生的質量受到影響。另外，諧波問題還會影響到場內通信系統的正常運行狀態，容易造成企業運行的混亂情況。所以，我們應該充分重視工業廠房供配電系統諧波問題，這樣才能滿足有效全方位提升電能力質量的要求。

1 供配電系統諧波以及其危害

1.1 諧波

隨著工業化大生產的開展，諧波問題在諸多領域都有涉及，這里所指的諧波則是電力諧波，主要就是在周期波，或者量的正弦波分量，相應的頻率情況則是為整數倍的基波頻率的情況。在電力系統中，正是由于存在著非線性的負載情況，這樣則容易造成諧波問題的出現。特別是在相應的非常規的變換影響下，考慮到特定的電力系統的參數以及條件的作用，往往會造成系統的工作狀態的無序化問題較為嚴重，這樣存在著不斷動態化的電流大小情況。在相應的情況下，就會造成諧波問題。針對三相系統進行分析，在對稱條件下，往往僅有奇次諧波的情況，這也是供配電系統中的主要類型。

1.2 諧波的危害

1.2.1 增加線損

結合電力系統的發展特點來看，主要在諧波電壓以及諧波電流的影響下，其具有一定的持續性的特點，難以在短時間進行有效控制或者進行消除，這樣作用往往呈現出持續化積累的特點，會造成線路以及相關構件的受損情況的出現，往往還是會造成變壓器的帶載能力有所降低，不能保障電力系統的正常化工作要求。

1.2.2 降低設備的使用壽命

結合諧波的發展情況來看，其還會造成設備的使用壽命受到影響，特別是影響到設備構件情況，通過增加絕緣材料的電應力情況來看，則會有效在特定的情況下，有效保障變壓器和電容器的渦流損耗有所增加，這樣的影響下，從而會造成變壓器的金屬繞組受到很大程度的影響，往往存在著電力設備中較大的噪音以及過熱的情況，從而存在著絕緣老化的問題，造成設備的使用壽命難以維系，出現直線下降的情況。

1.2.3 影響通信

諧波問題直接影響到相應的通信活動開展情況，考慮到不固定的諧波長度的實際情況，這樣會造成通信環節中長波、短波都會受到影響，往往存在著通信噪聲增加的情況，一般來說，這種影響往往是在縮短距離情況下而會更加明顯，還會影響到語音信號、視頻信號傳輸等工作。

1.2.4 引發誤動作

一般情況下，在諧波影響下，機電設備的繼電器會造成工作能力出現大幅度下降的情況，實踐中難以有效區別三次諧波以及零序電流的情況，會造成誤保護動作的情況。另外，相關的自動裝置在諧波影響下也會存在著誤動作的情況，從而產生相應的跳閘事故問題。

2 工程概況

這里結合工程實例進行分析，選擇某針織廠作為研究對象，從實際出發來看，結合相應的廠區內部的實際布局情況，以及相關的車間生產實際數量以及分布情況。總體來看，一共設置到六座的變配電室，其中，變壓等級為10/0.4kV，相對應的運行電壓為10kV。在此過程中，結合生產的實際需求來看，1號變配電室為主配電室，內部設置了10kV環網柜的情況，主要利用工業園區兩個不同的35/10kV變電站來滿足廠房的供電需求。結合實際的廠房運行情況，其中涉及到直流操作電源一套，綜合自動化系統一套，結合相應的廠區中的消防備用電源的實際生產需求，考慮到紡織生產工作的實際性特點，進行配置了一套柴油發電機。在此基礎上，還進行配置了10多個0.4kV的低壓配電室等，利用總線監控處理技術，能實現在值班室進行廠區內變配電室的線路運行狀況的動態化監測，這樣有助于快速解決存在的故障問題，便于更好地維系紡織廠的正常工作要求。

3 工業廠房電網諧波引發的故障分析

針對在工業廠房的供配電系統中的中、低壓的變頻器來說，其會造成諧波的逐漸泛化情況。另外，如果在電力系統中存在著利用電加熱對于晶閘管的調壓或整流處理、應用一系列的大容量的應急電源（EPS）、大規模應用大容量的不間斷電源（UPS）等情況，這樣也會增加出現諧波問題的概率[1，2]。一般來說，工廠配電網絡中的諧波問題所引發的故障主要表現在如下方面：一是，操作失誤問題，往往發生在循環水的變電站中，相應危機保護系統容易出現操作失誤問題;二是，在TPU配電室中，容易導致出現電容器柜失火問題;三是，跳閘問題，一般表現在斷路器、進線的隔離開關中;四是，非正常熔斷問題，往往表現為斷路器誤動作或熔斷器熔體中。究其原因，主要涉及到如下方面：輸配電系統中存在著電力變壓器帶來的諧波問題，諧波大小和磁路的運行回路、鐵心的飽和狀態有著關聯;發電廠的電能質量不達標;用電設備所造成的諧波問題。

在本工程案例中，工業廠房項目中的諧波問題主要是由于用電設備的影響，就其來源主要包括如下：（1）變頻裝置產生的諧波。在此工業廠房中應用了功率不同的變頻裝置超過一百臺，最大功率為540kW。結合系統中的相位控制影響下，這種諧波具有較強的復雜性，涉及到整數次的諧波，還有著分數次的諧波。（2）晶閘管整流設備所造成的諧波問題。在本工程中的存在著五套的電瓶車的充電裝置，還涉及到六套的200kW的電加熱開關，這樣情況下，由于設備的調壓整流作用，系統運行中出現奇次諧波，且具有比較大的諧波量。（3）在受到直流屏或大容量的UPS和EPS的影響下，會出現諧波問題。在這個項目中，一共有者100Ah的直流屏的六套，還涉及到緊急電源、不間斷電源等十多臺，最大功率為30kVA。

4 諧波治理措施分析

此工程項目中，針對諧波治理問題來說，則應重點從以下方面進行思考[3]：一是，實現系統的承受濾波能力得到提升，以保障供電電壓等級的提升，實現和公共電網連接的短路容量得到有效提升，從而有效控制好諧波對于電網以及自身的影響，要保證能控制其在一定范圍內，盡量有效控制對于電網的影響;二是結合諧波源的角度來看，從整體上實現大部分諧波量值得到消除，降低干擾污染問題。一般來說，則是通過無源LC濾波裝置及有源濾波裝置APF等方式。這里結合工程項目的實際情況來看，主要重點進行濾波裝置的應用情況。

4.1 無源濾波裝置的應用

利用無源濾波裝置，能有效抑制諧波產生，主要是通過電路產生諧振，并能有效滿足諧波的抵阻抗的流經線路，這樣能有效利用分流的方式來處理諧波。具體來說，所涉及到諧波類型主要涉及到單調諧濾波器和高通濾波器等。前者主要是適用于對于特定某一種頻率的諧波，能夠產生固定次數的低阻抗分流要求;后者則是在實際應用中，配合著前者來共同使用，結合這里工程的實際情況，采用5、7、11次單調諧濾波器來實現諧波分流的作用，這樣的能夠有效處理八成以上的諧波，剩下的流入電網系統中，能有效提升安全系數。

從整體上來看，通過這種方式的濾波器能有效節省投入成本，具有比較高的諧波過濾效率，符合工業廠房生產的要求。但應該注意到，單調諧濾波器則是僅能消除特定頻率的諧波，又加上有一定的次數限制，在具體的實踐應用中，還會存在著材料消耗較多的問題。

4.2 有源濾波裝置的應用

利用有源濾波裝置來進行諧波抑制的過程中，主要是結合負載電波的實際監測，能夠弄清楚具體的諧波電流的補償成分，通過必要的反向操作，能夠將觸發絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）實現流入電力系統。同時，還能有效實現無功補償。相比而言，這種濾波器所具備如下特點：一是，過濾諧波環節受到系統阻抗影響比較小，可以忽略不計，能有效提升運行的安全系數;二是，能保障滿足無功補償，有效抑制相應的閃變，性價比較高;三是，具有較強的自適應能力，結合動態化的諧波補償量，有效實現參數的自動化調整。主要缺陷則是體現在造價較為昂貴，且運行中的損耗相比而言較大。

5 濾波器裝置在工程中的合理應用

結合工程項目的實際情況，這里采用的則是混合型配電系統，在具體的廠房中治理諧波的過程中，主要涉及到以下三個方面的內容[4-5]：一是，總補償，其滿足于分布不集中的非線性負載的情況，同時，單臺的容量比較小。從實際情況分析，則僅需要將APF安裝在低壓電源的總的進線位置，能起到較好的分流諧波的作用;二是，部分補償，這種方式適用于分布比較集中的非線性負載的情況，具體應用在幾條支路。具體來說，在相關設備分布的同一區域中，供電則通過單獨母線，能實現LC安裝在母線供電一端;三是，局部補償，這種方式能滿足于非線性負載分布較為集中且容量較大的情況，比如，針對電弧爐所應用情況，可以通過APF安裝來進行諧波消除。

6 結語

由此可見，在供配電系統中，只有從實際出發，弄清楚諧波產生的原因，才能在此基礎上提出有針對性的解決措施，以保障工程項目的生產順利的基本要求。有效解決諧波問題，能全方位保障供電質量得到提升，更好地推動工業生產的開展，也有利于維護好經濟社會的穩定持續發展。

參考文獻：

[1]張大煒.鍋爐房供配電系統的諧波治理策略研究[J].電力系統裝備，2019，19.

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[3]許瑩.供配電系統內諧波對電容補償的影響分析[J].電工技術，2019，14.

[4]愛普科斯，Lukas Motta.改善電能質量、減少諧波的有源諧波濾波器[J].電力系統裝備，2016，8.

[5]史金春.工業廠房低壓無功補償相關參數計算[J].智能建筑電氣技術，2019，2.