徐霜
（安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801）
摘要：隨著電力電子變流裝置的應(yīng)用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用，但非線性電力裝置設(shè)備的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波，諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負載和其它用戶帶來了大影響。煙草工業(yè)在生產(chǎn)制造過程中，使用大量的變頻器進行調(diào)速，變頻器所產(chǎn)生的諧波，對廠區(qū)配電室的供電網(wǎng)造成了一定的影響。本文通過分析諧波的危害，并提出采用有源電力濾波器進行某卷煙廠諧波治理的方案。
關(guān)鍵詞： 諧波；污染；有源電力濾波器；治理；卷煙廠
1、諧波的危害
變頻器工作時會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變成非正弦。這樣，連接在同一點的其他設(shè)備上就會被施加了含有諧波成分的非正弦電壓，致使一些敏感設(shè)備無法正常工作。諧波對企業(yè)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）使電力元件附加損耗加大，易引發(fā)火災(zāi)
諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災(zāi)。
（2）影響電氣設(shè)備的正常運行
諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等；使變壓器局部嚴重過熱；使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。
（3）引起電網(wǎng)諧振
這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。
（4）使繼電保護誤動作，電氣測量誤差過大。
諧波會導致繼電保護，特別是微機綜合保護器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。諧波還會使電氣測量儀表計量不準確，產(chǎn)生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟損失。
（5）使工控系統(tǒng)崩潰
臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量、計算機無法正常工作，重則導致信息丟失，使工控系統(tǒng)崩潰。
諧波所產(chǎn)生的危害如此之嚴重，世界各國都對諧波問題予以充分關(guān)注。上召開了多次有關(guān)諧波問題的學術(shù)會議，不少國家和學術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。國標GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值和諧波電流允許值分別見表1-1和表1-2：
表1-1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值
電網(wǎng)標稱電壓（kV） | 電壓總諧波畸變率（%） | 各次諧波電壓含有率（%） | |
奇 次 | 偶 次 | ||
0.38 | 5.0 | 4.0 | 2.0 |
6 | 4.0 | 3.2 | 1.6 |
10 | |||
35 | 3.0 | 2.4 | 1.2 |
66 | |||
110 | 2.0 | 1.6 | 0.8 |
表1-2 注入公共連接點的諧波電流允許值
標稱電 | 基準短路 容量（MV.A） | 諧波次數(shù)及諧波電流允許值（A） | |||||||||||
2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | ||
0.38 | 10 | 78 | 62 | 39 | 62 | 26 | 44 | 19 | 21 | 16 | 28 | 13 | 24 |
10 | 100 | 26 | 20 | 13 | 20 | 8.5 | 15 | 6.4 | 6.8 | 5.1 | 9.3 | 4.3 | 7.9 |
14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | ||
0.38 | 10 | 11 | 12 | 9.7 | 18 | 8.6 | 16 | 7.8 | 8.9 | 7.1 | 14 | 6.5 | 12 |
10 | 100 | 3.7 | 4.1 | 3.2 | 6 | 2.8 | 5.4 | 2.6 | 2.9 | 2.3 | 4.5 | 2.1 | 4.1 |
2、諧波的治理
傳統(tǒng)的LC無源調(diào)諧濾波器的方法可以降低諧波電流，又可以補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，故一直被廣泛使用，但這種方法的zui大缺點就是其性能要受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波電壓放大，如果保護措施不得力，甚至使LC濾波器過載或燒毀。有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是“用戶電力技術(shù)"中一種非常重要的裝置，它能抑制電流諧波及閃變等，用以補償負荷電流中的諧波和無功，使電源側(cè)電流保持為正弦波，從而防止諧波對電網(wǎng)的污染和提高功率因數(shù)。這種補償器主要用在對非線性負荷所產(chǎn)生的諧波源進行治理。
安科瑞電氣股份有限公司開發(fā)的ANAPF系列有源電力濾波器，采用實時的檢測方法，得到電網(wǎng)電壓或電流中的波動、不對稱、諧波等畸變分量，利用快速的電力電子功率器件（IGBT）產(chǎn)生與其相反的波形，再將其抵消掉。原理如圖2-1所示：
圖2-1 ANAPF有源電力濾波器原理圖
3、有源濾波案例
某卷煙廠動能車間卷接配電室，配置兩臺2000KVA的干式變壓器，由于其負卷包車間使用了大量變頻器，曾引起電抗器損壞、低壓開關(guān)燒毀，我們使用FLUKE434電能質(zhì)量分析儀對其中一臺變壓器負載進行測量，測試點位于電容補償后負載前的母排，測量發(fā)現(xiàn)變壓器副邊側(cè)5次電流諧波達到148A，7次諧波電流達到4，從波形上明顯看到畸變嚴重。總電流為746A，畸變率為22.2%，總的諧波電流可以計算出為746×22.2%=165.61A。
治理方案：在變壓器副邊側(cè)并聯(lián)接入200A有源電力濾波器對其諧波進行集中治理，使系統(tǒng)正常運行不受諧波危害。方案如圖3-1所示。
圖3-1 ANAPF集中治理方案圖
安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術(shù)參數(shù)見表3-1和表3-2。
表3-1 ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數(shù)
接線方式 | 三相三線或三相四線 | |||
接入電壓 | 3×380V ±10% | |||
接入頻率 | 50Hz ±2% | |||
全響應(yīng)時間 | ＜20ms | |||
開關(guān)頻率 | 10kHz | |||
功能設(shè)置 | 只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功 | |||
諧波補償次數(shù) | 2-31次 | |||
保護類型 | 直流過壓、IGBT過流、裝置過溫 | |||
冷卻方式 | 強制風冷 | |||
噪音 | ＜ 65dB | |||
工作環(huán)境溫度 | -10℃～+45℃ | |||
工作環(huán)境濕度 | ＜85%RH 不凝結(jié) | |||
安裝場合 | 室內(nèi)安裝 | |||
海拔高度 | ≤1000m（更高海拔需降容使用） | |||
進出線方式 | 下進下出（根據(jù)客戶要求） | |||
防護等級 | IP20 | |||
智能通信接口 | 外加模塊 | |||
安裝方式 | 立柜式 | 壁掛式 | 抽屜式 | |
補償電流大小（A） | 50/75/100/150/200/250/300 | 50/75/100 | 50/75 | 50/75 |
外形尺寸(mm) (W×D×H) | 800×800×2200 800×1000×2200 1000×1000×2200 （其他尺寸可定制） | 600×600×1800 （其他尺寸可定制） | 580×305×600 （其他尺寸可定制） | 540×570×240 （其他尺寸可定制） |
表3-2 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單
型號：ANAPF200-380/B | ||
參考價格：36萬元/臺 | ||
主要產(chǎn)品清單 | ||
序號 | 名 稱 | 數(shù)量 |
1 | APF柜體 | 1 |
2 | APFCOV-200-G變流器 | 1 |
3 | APFCOV-200控制器 | 1 |
4 | APFRE-200-Y電抗器 | 1 |
5 | 電流互感器 | 3 |
6 | 濾波器 | 2 |
7 | 風機 | 2 |
8 | 接觸器 | 2 |
9 | 塑殼斷路器 | 1 |
10 | 變壓器 | 1 |
11 | 彩色觸摸顯示屏 | 1 |
注：以上技術(shù)參數(shù)或器件名稱、數(shù)量如有更改，恕不另行通知。
4 諧波治理效果
安裝200A有源電力濾波器后，電流畸變率得到大幅度下降，電流波形圖由投入前的不規(guī)則變?yōu)橥度牒蟮慕咏也āＶ卫砬昂蟛ㄐ稳鐖D4-1所示。同時功率因數(shù)得到提高，減少了線路的功率損失，提高了電網(wǎng)輸電效率，可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費開支。
圖4-1 治理前后波形對比
5、諧波治理經(jīng)濟效益
配電系統(tǒng)中無功主要靠無功柜補償，但是諧波對無功柜內(nèi)電容的損害非常嚴重。電容器的壽命跟加在電容上的電壓、電容運行環(huán)境溫度和電容器投切次數(shù)密切相關(guān)。根據(jù)電容器廠商EPCOS的測試數(shù)據(jù)，電容器運行壽命可以用以下公式表示：
其中LE為電容實際運行壽命；LEn是電容器期望壽命；Xv是電壓系數(shù)；Xt是溫度系數(shù)；Xs是投切系數(shù)。系數(shù)關(guān)系表如表5-1：
表5-1 電容實際壽命與電壓、溫度及切頭次數(shù)關(guān)系
LE=LEn*Xv*Xt*Xs | ||||||
LE=LEn*Xv | LE=LEn*Xt | LE=LEn*Xs | ||||
Uc=1.10Un | Xv=0.50 | Tav=42℃ | Xt=0.5 | 5000/a | damping | Xs=1 |
Uc=1.05Un | Xv=0.70 | Tav=35℃ | Xt=1.0 | 10000/a | damping | Xs=0.7 |
Uc=1.00Un | Xv=1.00 | Tav=28℃ | Xt=1.2 | 5000/a | no damping | Xs=0.4 |
Uc=0.95Un | Xv=1.25 | 10000/a | no damping | Xs=0.2 | ||
Uc=0.90Un | Xv=1.50 | Thyrister Switches | Xs=1 | |||
以EPCOS電容器為例，正常工作電壓400V，工作溫度35℃，每年投有阻尼切次數(shù)不大于5000次，那么該電容器的使用壽命即為正常壽命。
在諧波環(huán)境下工作的電容，由于電容對諧波呈低阻抗特性，所以首先溫度會大大上升，溫度Xt將變小；由于有諧波會產(chǎn)生壓降，為提高功率因數(shù)，電容電壓大于線電壓，這導致電壓系數(shù)Xv也變小；另外高溫會導致電容容值下降，為保證功率因數(shù)，電容投切次數(shù)必然上升，切投系數(shù)Xs同時減小。因此根據(jù)上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn，也即在諧波環(huán)境下工作的電容壽命為正常環(huán)境下電容壽命的十分之一！
由于諧波環(huán)境下電容器更容易損壞，頻繁的更換電容直接導致硬件成本的上升；另外電容柜是供電系統(tǒng)中提供無功zui大的電器柜，電容出現(xiàn)故障必然會導致功率因數(shù)下降，繼而會因功率因數(shù)低而被罰款。以電容正常壽命5年計算，在諧波環(huán)境下運行的電容半年就要更換。該卷煙廠每臺變壓器配有無功ABB電容器，單個25Kvar，共800kvar。ABB電容器價格在2000元左右，在與該卷煙廠現(xiàn)場工作人員交流中了解到，平均每月都會更換一個電容。也即一年僅更換電容就有24000元的經(jīng)濟損失。由于諧波影響，電容壽命為正常壽命的十分之一，也即更換頻率為正常的10倍！這并不包括由于電容容量的降低使得功率因數(shù)低而罰款和這期間各種其他間接損失。由此可以看出諧波產(chǎn)生的直接經(jīng)濟損失十分巨大。
6 結(jié)束語
近年來，變頻器因其驅(qū)動電機系統(tǒng)節(jié)能明顯、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于大量工廠，但同時因其非線性工作方式產(chǎn)生的高次諧波也給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了一定的影響，其危害已不可忽視。對于電能質(zhì)量要求越來越嚴格的今天，并聯(lián)型有源電力濾波器是一種特別適合煙草行業(yè)諧波治理的方案。ANAPF有源電力濾波器能很好的抑制電網(wǎng)中的諧波污染，大電網(wǎng)的電能質(zhì)量，良好滿足設(shè)備的運行要求和國家標準。
參考文獻
[1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標準出版社，1994.
[2]王萍.諧波治理在卷煙行業(yè)變配電中的應(yīng)用.
[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊2014.1版.
作者簡介：
徐霜，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電力電子及諧波治理。
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