精細化工行業低壓變頻器諧波電流的工程估算方法

宋鵬飛，劉昊旻，袁濤

（湖北省化學工業研究設計院，湖北 武漢 430074）

筆者在參與湖北某涂料公司的工程設計時，業主反饋其配電所低壓電容補償柜中的電容器多次炸裂，造成了極大的安全隱患，影響了正常的生產運行。后經檢測發現，是因廠區大量使用變頻器，產生了諧波電流而造成危險的過電壓和過電流，從而造成了電容器損壞。

在精細化工企業中，由于工藝需要，部分低壓電機需要采用變頻調速，但變頻器在運行時會產生大量的諧波。由于諧波電流本身的測量與計算比較復雜，而且在設計時很難獲得電氣設備使用時的準確數據，因此在精細化工企業動力配電設計階段，需要對整個項目的諧波電流進行估算。

1 諧波的產生及危害

1.1 變頻器運行時產生的諧波

精細化工行業多為中小功率低壓電機，而中小功率變頻器中應用最廣泛的是交－直－交變頻器，這種變頻有整流器（交流變直流）和逆變器（直流變交流）組成。

變頻器逆變側為PWM方式時，輸出產生寬窄不同的矩形波，這些非正弦波可分解為無窮多個頻率不同的正弦波的疊加。對周期性交流量進行傅里葉級數分解，得到頻率與工頻（50HZ）相同的分量稱為基波，得到的頻率為基波整數倍的分量稱為諧波［4］。

對電網而言，變頻器就是一個整流裝置，變頻器網側諧波電流的次數為 5、7、11、13、17、19、23、25。在考慮諧波產生的影響時，考慮到25次已經足夠［3］。

1.2 諧波的危害

（1）低壓配電系統中采用電容器進行無功補償，諧波可能導致電容器與系統中的感性部分發生諧振，引起危險的過電壓及過電流，造成電容器熔絲熔斷或電容器損壞；

（2）化工廠部分場合配電線路較長（可達300m以上），線路感抗隨著頻率的升高而增加，三相供電回路中，線電流的3次諧波及奇數倍諧波（3、9、15…）在中性線上相互疊加，可能造成過熱甚至熔斷中性線；

（3）化工廠存在大量低壓電動機，諧波電流會在定子繞組、轉子回路及鐵芯中產生附加損耗，負序諧波電流會作用脈動轉矩產生機械振動和噪聲。

此外，諧波還會導致變壓器的損耗增加，降低斷路器的診斷能力，影響測量及計量儀表的準確性，引起電網各類保護和自動裝置拒動或者誤動作，對通信產生干擾等。

2 工程設計諧波電流估算方法

2.1 常規估算方法

在一般情況下，可以根據下列公式對諧波電流進行估算［2］：

式中：K1為變壓器的負載率，常規設計時一般取0.7～0.8；THDi為電流總諧波畸變率，不同建筑的取值可參考電流總畸變率表；ST為變壓器的額定容量（kVA）；Us為變壓器低壓側額定電壓（kV）。

不同場所的電流總畸變率參考圖集《低壓配電系統諧波抑制及治理》，如表1所示。

表1 電流總畸變率表［2］

2.2 專門針對變頻器是否帶電抗器估算

目前市面上很多廠家并未全系配置交流側及直流側電抗器，部分變頻器產品僅部分型號內置直流電抗器，交流側電抗器均為選配。但是根據變頻器廠家提供的數據，當完全不設電抗器時，變頻器所產生的諧波電流可達80%－100%。

變頻器額定負載時的各次諧波含量依據《電力傳動自動化技術手冊》中的數據，如表2所示。

表2 三相橋式整流變頻器額定負載時的諧波含量表

其中，周期性交流量的電流均方根值等于基波和各次諧波電流均方根為：

式中，I—含有諧波的電流均方根值，V；Ih—第h次諧波電流均方根值，V；I1—基波電流均方根值，V；

表征波形畸變程度的總諧波畸變率，是用周期性交流量中的諧波含量與其基波分量均方根值之比，用百分數表示。

式中：THDI為電流總諧波畸變率（%）；Ih為第h次諧波電流均方根值（V）；I1為基波電流均方根值（V）；HRIn為第h次諧波電流含有率（%）。

通過以上方法得到：交流側有電抗器時電流總畸變率為41.7%；直流側有電抗器時電流總畸變率為34.9%；交直流側均有電抗器時電流總畸變率為31.2%。

本文選取1250kVA變壓器，假設負載率為0.8，按照第2節所述常規諧波電流估算方法進行計算。變頻器按照無電抗器、帶直流電抗器、帶交流電抗器、帶直流及交流電抗器這四種情況分別計算所產生的諧波電流，如表3所示。

表3 電力變壓器（容量1250kVA，負載率0.8）在不同估算方法下的諧波電流值

3 兩種諧波電流算法比較及改善建議

3.1 兩個諧波電流估算方法比較

（1）采用常規工程設計諧波電流估算方法時，本文無功補償功率按變壓器容量的0.3倍選取，消諧式無功補償電流按照系數0.2折算，統計出常見各變壓器容量補償后的系統剩余諧波電流，如表4所示。

表4 各容量變壓器估算諧波電流值

（2）專門針對變頻器是否帶電抗器，分別計算出網側的諧波電流，如表3所示。

變頻器未配置電抗器時，諧波電流最大，當變頻器容量超過變壓器容量20%，常規方法估算的諧波電流值就會低于實際值；

變頻器帶直流電抗器時，當變頻器容量超過變壓器容量50%時，常規方法估算的諧波電流值會低于實際值；

變頻器帶交流電抗器時，當變頻器容量超過變壓器容量40%時，常規方法估算的諧波電流值就會低于實際值；

變頻器同時配置直流電抗器及交流電抗器，當變頻器容量超過變壓器容量60%時，常規方法估算的諧波電流值會低于實際值。

3.2 建議

（1）三相變壓器內部有△接線，3次諧波及其奇數倍的零序電流會在三相繞組內被短路，使饋送給電網的諧波電流含量明顯減少。除非特殊情況外，不宜采用全Y接線；

（2）變頻器應盡量選配交流電抗器、直流電抗器，可有效降低變頻器產生的諧波電流；

（3）優先采用無功功率補償電容器組串聯電抗器的方案抑制諧波，當仍然無法達到標準要求時，需另外配置有源濾波器；

（4）在工程設計階段只能預估諧波電流值，為防止估算值偏小，設計配電室平面時應考慮預留1－2臺的有源濾波柜空位。

4 結論

在精細化工行業，當大量存在低壓變頻器時，常規方法估算的諧波電流值會偏小，應根據變頻器型號（是否帶交流、直流電抗器）、容量來估算諧波電流值，并據此選取有源濾波器。