水泥廠電能損耗和電能質量綜合治理研究

王道連

摘 要：當前，國家對環保、節能降耗的要求進一步提高，各水泥廠均在實施變頻改造，且變頻器的大量使用，加劇了配電系統的波形畸變。配電系統的電容補償模塊又對諧波源起到放大作用，進而引發諧振波動，造成電容器等設備損壞，從而導致功率因數偏低，出現電能損耗。文章針對水泥行業出現的補償不足、補償不及時及諧波問題提出合理的解決方案，從而解決企業功率因數低，節省電能損耗的問題。通過選擇先進的有源濾波設備優化電網系統質量，能夠處理諧波問題對電網設備造成的影響。

關鍵詞：諧波;功率因數;電能損耗;電能質量

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.016

隨著現代電力電子技術的飛速發展以及工業生產水平的提高，非線性用電設備在電網中大量使用，電網中的諧波含量占比也越來越大，從而對電網中的其他設備產生影響。而在水泥企業中，由于變頻器的大量使用，諧波問題也越來越嚴重。諧波影響了電氣設備的正常運行，造成電容器損壞，感性負載在工作過程中由于需要建立磁場，因此需要從系統吸收大量的容性無功功率，從而導致功率因數偏低。同時，水泥企業存在補償不足、補償不及時及部分退出電容補償的問題，這些問題造成了電能損耗。一些新型電氣設備，如有源濾波裝置及SVG的應用，對治理企業電能質量和節能降耗變得尤為重要。通過對電能質量的治理，一定程度上能夠給企業節省經濟成本，保障企業電氣設備的安全運行。

1 諧波概述及危害

在交流電網中，許多非線性電氣設備的投入運行，其電壓、電流會產生波形畸變，實際上不是完全的正弦波形，而是一定程度畸變的非正弦波。對周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解，得到頻率與工頻相同的分量稱為基波，得到的頻率大于1整數倍的基波頻率分量稱為諧波[1]。不管3次諧波還是5次諧波，其都是正弦波形。

諧波是造成電網電能質量污染的重要原因，工業中常見的諧波源主要有換流設備（變頻器）、鐵芯設備（變壓器）、電弧爐、照明設備（LED燈具）等非線性電氣設備。

諧波的存在會嚴重影響電網的安全運行，其危害主要表現在以下幾方面：

第一，諧波電流在變壓器中，產生附加高頻渦流鐵損，會使變壓器過熱，從而降低了變壓器的輸出容量，導致變壓器的噪聲增大，嚴重影響變壓器的使用壽命。

第二，諧波電流的趨膚效應會使導線等效截面變小，增加線路的損耗。

第三，諧波電流、電壓對附近的通訊設備正常運行產生干擾。

第四，諧波產生的瞬態過電壓和暫時過電壓破壞電機等設備的絕緣，導致三相短路，燒毀變壓器及相關電容柜投切設備。

第五，諧波電壓、電流會引起公共電網中局部產生串聯諧振和并聯諧振，造成嚴重事故。

2 諧波與電容器的關系

諧波產生諧振，電力網中存在電容補償，其與系統的感性部分組合，在一定頻率下，可能存在串聯或并聯的諧振條件，當系統中某次頻率的諧波足夠大時，就會造成危險的過電壓或過電流。危險的過電壓或過電流往往會引起電容器熔絲熔斷或使電容器損壞。電容器的容抗與頻率成反比，頻率越高電容器的容抗越小，施加的電壓不變，長期過電流運行，為了躲過電容器的啟動涌流，保護電容的熔斷器的整定值會較大，不能有效保護，造成電容器燒毀[1]。

例如，IC=I1+Ih。其中，IC=電容器的運行電流;I1=電容器額定電流;Ih=流入的諧波電流，如果IC=I1+Ih>1.3I1，電容器就會出現故障。諧波與電容器的關系如圖1所示。

3 諧波治理措施

目前，企業大量的非線性用電設備產生的諧波必須要進行治理，使諧波分量不超過國家標準，筆者選擇采用有源濾波裝置治理諧波。有源濾波裝置通過外部電流互感器采集負載電流信號，通過內部的檢測電路模塊分離出其中的諧波，通過內部電路模塊產生一個和系統的諧波頻率相同、幅值相同，但相位相反的諧波電流，觸發IGBT逆變器將諧波補償電流注入到電網中，用以消除諧波電流。具體工作原理如圖2所示。

諧波治理的作用：延長設備壽命，減少設備采購投資;保證設備穩定工作，確保生產穩定;減少能耗，節能減排，保護環境;降低公用電網諧波污染，獲得供電部門的獎勵。

4 SVG補償措施及優勢

功率因數是衡量電氣效率高低的系數，功率因數越低，有功率就越小，同時無功功率越大，供電設備的容量就不能得到充分利用，采用先進的電子設備提高功率因數是解決電能損耗的主要目的。目前，企業采用的無功補償裝置多為電容器補償，隨著電力電子技術的快速發展，電容補償較SVG靜止無功補償存在的劣勢較為明顯，一種新型的SVG靜止無功補償裝置應運而生。

SVG靜止無功發生器是利用可關斷電力電子器件（IGBT）組成自換相橋式電路，經過電抗器并聯在電網上，工作中通過調節逆變橋中的IGBT器件的開關，可以控制直流逆變到交流的電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側電流。其可以迅速發出大小相等、相位相反的無功功率，從而發揮出動態無功補償的作用。SVG補償具體工作原理如圖3所示。

SVG補償的優勢：SVG無功補償裝置是利用電源模塊進行補償的，補償功率因素能夠達到0.99以上。SVG無功補償響應快速，實施跟蹤，動態補償，SVG在10毫秒左右的時間內就能實現一次無功補償。SVG可以從0.1千法開始進行無極補償，完全實現了精確補償。SVG既不會增加諧波也不會放大諧波，而且能夠過濾50%以上的諧波。此外，使用壽命長，SVG正常使用壽命可達10年以上，基本上不需要維護，自身損耗也極小。

5 諧波治理和SVG補償實施方案

以在某水泥企業項目熟料冷卻配電系統中配置的SVG補償柜和有源濾波柜低壓系統配置為例，SVG補償柜容量是通過需要系數法計算該項目補償容量后計算選擇的，根據負荷計算無功補償量為536 kVar，考慮一定的余量，設備選擇300 kVar的SVG無功補償柜兩臺。

6 諧波治理和SVG補償的意義

水泥企業低壓系統諧波治理后，無功補償柜就可正常投入使用了，從而提高功率因數，減少變壓器的有功和無功損耗。根據以下公式計算，形成如表1所示的表格。

提高功率因數能夠減少線路損耗。由于提高了功率因數，減少了無功負荷，從而減少了供電線路及變壓器的電流[3]。有功功率、無功功率和視在功率的關系圖如圖4所示。

λ為功率因數，φ表示有功功率與視在功率之間的夾角，即為功率因數角，通過功率因數能夠清晰地表達出有功、無功以及視在功率的關系。

功率因數的提高可以增加配電設備的供電能力，由圖4可知，提高了功率因數，在有功功率一定的情況下所需的視在功率及負荷電流均會減少。對現有設備而言，需要變壓器的容量和電纜截面就有了剩余，一定程度上可增加企業負荷。當企業增加一定的改造設備容量時，已有配電設備的容量也可以滿足。同時，在新建項目時由于功率因數的提高，可減少供電電纜線路的截面及變壓器容量，在設備選擇上節約了投資成本。

7 結語

文章通過對企業諧波問題的治理，解決了諧波電容補償問題，從而提高了企業的功率因數。目前，很多水泥企業都存在變壓器利用率不高、電能損耗的問題，提高供配電系統的功率因數，能夠降低變壓器的容量配置，從而為企業創造經濟價值。通過引進先進的電氣設備，如有源濾波裝置及SVG補償設備，對企業電能質量和節能降耗起到了重要作用，為企業節省了經濟成本。通過治理諧波，也保障了企業電氣設備的安全運行。

參考文獻

[1] 本書編輯部編.鋼鐵企業電力設計手冊[M].北京：冶金工業出版社，1996.

[2] 中國航空規劃設計研究總院有限公司編.工業與民用供配電設計手冊[M].第四版.北京：中國電力出版社，2017.

[3] 劉介才.工廠供配電[M].北京：機械工業出版社，2016.