水泥廠的諧波治理

曹漢紅，姜大寶

水泥廠的諧波治理

Harmonic Wave Governing for the Cement Plant

曹漢紅，姜大寶

1 概述

采用變頻器驅動的電動機系統具有節能效果明顯、調節方便、維護簡單、網絡化等優點，但它的非線性、沖擊性用電的工作方式，也帶來了很多的干擾問題。變頻器的輸入端和輸出端都會產生大量諧波，輸入端的諧波會通過輸入電源線對公用電網產生影響，而輸出端的諧波不但會對其本身的電源或內部產生影響，更會引起電動機故障或影響控制設備（如計算機或傳感器），甚至造成停產等損失。

水泥廠供配電系統的諧波污染大大降低了電能傳輸和利用效率，故而進行諧波治理是非常必要的。

2 水泥生產線諧波特征

2.1 諧波主要來源為變頻器

從結構來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環節。它的每相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負荷上就獲得了交變輸出的電壓U0,U0的幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。目前在水泥企業里應用較多的還是間接變頻器。

間接變頻有三種不同的結構形式：

（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調壓和調頻分別是在兩個環節上進行，兩者要在控制電路上協調配合。

（2）用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環節用斬波器，用脈寬調壓。

（3）用不控整流器整流，PWM逆變器同時變頻，這種變頻器只有采用可控關斷的全控式器件輸出波形才會形成非常逼真的正弦波。

2.2 變頻器如何產生諧波

無論哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網中吸取能量的方式均不是連續的正弦波，而是以脈動的斷續方式向電網索取電流，這種脈動電流和電網的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網的電壓上，使電壓發生畸變。經傅里葉分析可知，這種非同期正弦波電流是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

表1 諧波的分類比較與治理

表2 諧波電壓限值

表3 諧波電流限值

表4 某廠燒成窯頭電力室諧波治理方案

3 諧波及分類

3.1 電能質量

說到諧波，我們應該首先了解一下電能質量。

一個理想的電力系統應以恒定的頻率（50Hz）和正弦波形，按規定的電壓水平對用戶供電。在三相交流電力系統中，各相的電壓和電流應處于幅值大小相等、相位互差120°的對稱狀態。由于系統各元件(發電機、變壓器、電動機、線路等等)參數并不是理想線性或對稱的，加之調控手段的不完善、負荷性質各異且其變化的隨機性及運行操作、各種故障等原因，這種理想狀態在實際當中并不存在，因此就產生了電能質量（Power Quality）的概念。

電能質量與一般產品質量不同，有其如下特點：

（1）不完全取決于電力生產企業，甚至有的電能質量指標（例如諧波，電壓波動和閃變，三相電壓不平衡度）往往是由用戶干擾所造成的；

（2）對于不同的供（或用）電點在不同的供（或用）電時刻，電能質量指標往往是不同的，也就是說，電能質量在空間上和時間上均處于動態變化之中。

3.2 諧波的概念

在電能質量多種指標中，受干擾性負荷影響，諧波是最為普遍的，這是因為非線性負荷在快速增長，電網的諧波水平在不斷提高。

電網中接入非線性負荷，使得電壓、電流的波形產生了畸變，其波形不再是正弦的。由電工理論可知，電流電路的理論和計算均以正弦波形為基礎，當波形成為非正弦時，將會給系統帶來很多問題。

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3.3 諧波的分類

供電系統中諧波可分為電力側諧波和用戶側諧波。

·電力側諧波：

又稱低頻諧波，通常是指40次以下的諧波，尤以3、5、7、9等次諧波為代表，對供電系統產生危害，造成電網供電效率下降，電容發熱甚至燒毀等。

·用戶側諧波：

又稱高頻諧波，通常是指40次以上的諧波，頻率通常在2000Hz以上，對用電設備產生危害，造成工作質量下降、死機、損壞、壽命下降等。

表1為諧波的分類比較與治理。

3.4 諧波的危害

在使用變頻器的場所中，一般來講，變頻器對容量大的電力系統影響不是十分明顯，但是對于系統容量小的系統，諧波產生的干擾就不可忽視，并且它對公用電網也是一種污染，諧波的存在對公用電網和其他系統的危害大致有：

（1）諧波使公用電網的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的使用率，大量的三次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發生火災。

（3）諧波會引起公用電網局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會對控制系統中的設備產生影響，造成控制系統紊亂、電腦死機、通訊系統中斷、數據及信息丟失。

3.5 諧波治理設備的工作原理

簡單地說諧波保護器是通過實時檢測電網中由非線性負載產生的電流波形，分離出諧波部分，將其反相，再通過逆變器的觸發將反相電流注入到電網中，實現濾除諧波的功能。

4 諧波限值的相關標準

《供配電系統設計規范》GB50052-2009，5.0.12配電系統中的諧波電壓和在公共連接點注入的諧波電流允許限值，亦符合現行國家標準《電能質量公用電網諧波》GB/T14549-1993的規定（表2、3）。

5 水泥生產線諧波治理方案實例

某現代化水泥廠的窯頭車間經常出現電動機燒毀、變壓器噪音巨大、變頻器或電容燒毀、生產線傳輸中斷、通訊數據丟失等情況，這說明系統中電力側諧波和用戶側諧波的含量都比較大，需要做一個全面的諧波檢測。

5.1 諧波的治理

根據電力側諧波的含量及諧波電流的大小，安裝HPD2000諧波保護器；

根據用戶側諧波的含量，在低壓進線側安裝HPD1000諧波保護器；

在重要的設備端和負載端安裝HPD99諧波保護器。

治理方案如表4所示。

治理設備安裝位置見圖1、2、3。

5.2 治理后檢測

根據此方案進行諧波治理以后，該工廠存在的問題得到了明顯的好轉，生產率得到了很大提高，圖4～7是進行諧波治理前后的數據比較。

從圖4～7中可以看到，電流波形在治理后得到了明顯改善，諧波含量符合國家的標準。

根據以上測試數據可以看出，通過諧波保護器的全面治理，諧波的含量得到了明顯的改善，系統的諧波少了，用電環境好了，生產效率將得到很大的提高。

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呂 光