煙草行業電能質量問題的監測與改善

1.引言

隨著現代科技迅猛發展，煙草行業聯合工房內的用電與供電設備設施中非線性負荷（計算機、空調、變頻、UPS、電子器件等）比重訊速增大，包括電能諧波、電壓波動和電磁干擾等方面的供電質量正迅速惡化，對聯合工房電氣安全，運行等帶來了新的問題。常規的電能質量檢測的方法主要是使用便攜式電能質量分析儀，采用定點、定時的方式檢測電網電能質量指標的背景狀況和干擾源設備（如非線性設備）接入電網或干擾源容量變化對電網電能質量的影響，這種常規檢測往往存在一些誤區和盲點，如需要據測試人員的經驗來選取認為非線性負載容量大、沖擊負荷、負荷波動快、系統故障頻繁等用電回路進行監測等缺點，因此建立一個實時在線的監測網絡對電網電能質量實行全面的運行監測及消除諧波的方法尤為重要。

2.電力系統電能質量及評價體系

衡量電能質量的主要指標有電壓、頻率和波形。導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，即產生諧波，諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，其內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態過電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續性等。如圖2-1所示，為部分電能質量的問題的圖形化表現形式。

3.諧波的主要危害

當諧波電流、電壓超出一定限制標準(中國國家標準(《電能質量公用電網諧波》GB/T14549－93))和IEC 1000—3—4、IEEE—519——1992國際標準時，將對電網產生不利影響，主要有：

1)使原設計的電路將不能滿足現有諧波的附加發熱要求，將引起電路導體的導電能力下降；2)增大電能消耗；3)開關的開斷能力下降；4)電動機、變壓器、電纜異常發熱；5)一般用電設備故障率迅速增加；6)專用電子設備不能正常工作，比如可控硅(依賴過流點進行控制導通角同步控制)工作異常、電氣設備控制系統失靈或損毀，通訊網絡無連接；7)引起配電設備異常震動和噪音，嚴重時使電氣設備無法正常地運行，產生電磁干擾；8)諧波使電容器等電器設備過流、過熱、甚至爆裂或著火引起火災。

一般來講，諧波對容量相對特別大的電力系統影響不很明顯，而對容量小的系統，諧波產生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，給周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。諧波污染對電力系統的危害嚴重性主要表現在：

(1)諧波對供電線路產生了附加諧波損耗。由于集膚效應和鄰近效應，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費；由于中性線正常時流過電流很小，故其導線較細，當大量的三次諧波電流流過中性線時，會使導線過熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發生火災。

(2)諧波影響各種電氣設備的正常工作。對發電機的影響除產生附加功率損耗、發熱、機械振動和噪聲和過電壓；對斷路器，當電流波形過零點時，由于諧波的存在可能造成電壓過高，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時間。

(3)諧波使電網中的電容器產生諧振。工頻下，系統裝設的各種用途的電容器其電路比系統中的感抗要大得多，不會產生諧振，但諧波頻率時，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現諧振，諧振將放大諧波電流，導致電容器等設備被燒毀。

(4)諧波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。

(5)諧波將使繼電保護和自動裝置出現誤動作，并使儀表和電能計量出現較大誤差；諧波對其他系統及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統產生干擾，輕者出現噪聲，降低通信質量，重者丟失信息，使通信系統無法正常工作；影響電子設備工作精度，使精密機械加工的產品質量降低；設備壽命縮短，通訊設備工況變壞等。

4.卷煙廠各個車間供電系統的諧波來源

卷煙廠各個車間諧波的主要設備來源。包括照明、變頻設備、空調制冷系統、發電機和軟啟動器等，具體表現形式如下：

(1)照明：照明配電是聯合工房電氣設計的一個重要內容。其中燈具幾乎都是諧波源，不同種類和型式節能燈的主要諧波電流的相位也有所區別。

熒光燈：特征諧波電流全為奇次諧波。線繞鎮流器的電流含有率3次諧波較高，可達8～10%。

高壓氣體放電燈：諧波特征是主要產生3、5、7次諧波，其量隨燈具的容量而幅度增大。

調光白熾燈：調光白熾燈的電力調節電路是通過用可控硅切除正弦電流的一部分來調節負載電流的大小。其特征諧波電流全部為奇次諧波，不同控制角α的諧波電流含量不同，一般地，α越大，諧波電流含量越大。

(2)變頻設備：聯合工房卷包、切絲、除塵等生產線應用了大量電動機、變速驅動裝置等等，可產生大量5次，7次為主的諧波，是工廠建筑內非常重要的一種諧波源。

(3)空調制冷系統：在聯合工房需安裝大容量的空調制冷系統及風機，水泵等，容量超過數十千瓦，空調機諧波電流大小依工作方式而變，制冷時為20～27%，制熱時為22～34%，諧波分布為2～15次，可見，無論是制冷還是制熱，THDi都不小。變頻空調的諧波含量與分布更大，產生以5、7次諧波最為顯著?？照{制冷系統的容量越大，諧波電流越大。

(4)發電機和軟啟動器：一般情況下采用的柴油發電機組可產生很嚴重諧波。聯合工房用電量大，為了減小變壓器容量，降低各電動機的啟動電流，設計時選用多臺晶閘管軟啟動器。雖然起動電流小，變壓器容量減小了，可是所產生的諧波電流對電源污染很嚴重。軟啟動器晶閘管的整流電路結構簡單，但輸入電流中含有很高的諧波分量，輸入電流的5次諧波可達20%，7次諧波可達12%，如實際測量中一臺132KW電動機，200KVA軟起動器的高次諧波明顯表現出含有5次、7次等高次諧波分量，而且非理論上的三次諧波分量也很大。

以上可以看出，對于煙草行業，改善電能質量以及提高能源設施的效率，保障電網及能源設施安全可靠運行，十分迫切。

5.卷煙廠諧波監測及治理方案

針對對煙草行業的特點和需求，從電能質量與負荷能效兩個方面，進行監測、分析和管控技術，達到改善電能質量的目的。

表2-1 電能質量國家標準摘要

表2-2 注入公共連接點的諧波電流允許值

續表2-2

(1)諧波監測

通過采用高級電能質量管理裝置，以實時監測、分析和管理煙草行業生產過程的各個工序的電能質量與負荷能效情況。具有功能如下：

1)I、U、P、Q、SPF、KWH、KVAR等全電量實時監測；2)最值與均值測量記錄；3)多時段分時電能計量；4)0～127次的電壓及電流諧波測量(包括THDI、THDU，HDI、HDU等)；5)同次諧波幅值與電壓和諧波電流之間相位差、三相電壓(流)不平衡度、電壓或電流負序極值及其對應時刻、三相電壓的短時間及長時間閃變；6)參數波形記錄與告警功能、電壓暫升、暫降、短時電壓中斷監測與記錄電壓瞬態監測與記錄；SOE事件記錄等多種功能。

(2)諧波治理措施

通過采用國際領先技術的產品(美國原產)RESINE有源諧波過濾器與其他無源濾波器設備相比，不僅具有能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功，濾波特性不受系統阻抗等影響的優勢，適用于單相、三相1KV以下配電系統，將反向諧波電流注入配電系統中實現對配電系統中2～51次諧波完全消除，響應時間＜1ms。RESINE有源濾波器在HAR>10的動態電能諧波濾除能力之外具備動態無功調節能力，且無功調節能力可工作于容性與感性負載。

6.應用案例

(1)需求分析

由于此卷煙廠采用的柴油發電機組，是諧波主要來源之一，且發電機正常運行時，運行參數無實時記錄，當發電機出現異常現象，無法準確查詢到異常原因，也無法找到最優化的運行模式等需求，所以需要通過監測、分析及電能質量治理手段進行諧波治理。

此卷煙廠，是針對發電機組進行監測、分析與電能質量治理方法，主要采用高級電能質量管理裝置以及有源濾波器進行諧波治理。

(2)解決方案

通過高級電能質量管理裝置監測和分析波形，如圖6-1、6-2所示。

通過有源濾波器進行諧波治理，如圖6-3所示。

(3)結論

通過上面的測試報告，可以看出，通過此裝置，得到了明顯的電能質量改善效果。

圖2-1 部分電能質量問題的表現形式

圖6-1 高級電能質量管理裝置網頁瀏覽界面

圖6-2 高級電能質量管理裝置諧波監測界面

圖6-3 濾波器投入前、后電流電壓波形圖

1)電流波形明顯改善，使用濾波器后電流波形呈正弦波形態；2)功率因數提高較多，由0.62(平均值)提高到0.93(平均值)；從而使電流有效值降低，提高了設備的使用效率；3)電壓畸變狀況得到改善，總電壓諧波畸變率THDV從7.2%降低到5%左右；4)電流畸變狀況得到明顯改善，總電流諧波畸變率THDI從40%左右降低到10%以下；5)濾波器調試后運行正常，且濾波效果明顯，符合設計要求。

7.效益價值

通過高級電能管理裝置對能源設備實時參數監測和分析，以及配合使用的有源濾波器，消除諧波，實現了改善電壓質量及提高設備能效的目的，從而保障了電網與能源設施的安全性和可靠性，并降低了運營成本。

8.結語

節能增效，已成為各行各業不可忽視的一項工作。實時證明，采用高級電能質量管理裝置，并配合使用有源濾波器，改善了電能質量，提高了能源負荷的利用率，不僅帶來了節能經濟效益，還可以供石化、冶金、半導體、電訊、汽車制造、醫療機構、政府機關、金融、保險等行業借鑒。

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