電網(wǎng)諧波抑制在玻璃行業(yè)的應(yīng)用

摘要：電網(wǎng)諧波的問(wèn)題在玻璃行業(yè)中日益突出。文章首先講述了諧波的產(chǎn)生、危害，接著又分析了諧波檢測(cè)方法，最后介紹了諧波抑制方法。

關(guān)鍵詞：玻璃行業(yè)；電網(wǎng)運(yùn)行；諧波抑制；諧波檢測(cè)；玻璃生產(chǎn) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM76 文章編號(hào)：1009-2374（2015）23-0043-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.023

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)玻璃的需求日益增加。生產(chǎn)平板玻璃的工藝路線日益復(fù)雜。生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)可控硅電力系統(tǒng)裝置要求越來(lái)越精密。無(wú)論是體積方面，還是使用效率方面，要求都非常高。可控硅電力元器件在實(shí)際使用中會(huì)產(chǎn)生電網(wǎng)諧波。由于電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生使得在生產(chǎn)玻璃的過(guò)程中電能利用率不高、對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)危害、給制造加工玻璃電器設(shè)備安全帶來(lái)危險(xiǎn)、給人們的安全帶來(lái)威脅，因而應(yīng)該對(duì)其加以預(yù)防。

1 諧波分析

1.1 諧波的定義

采用傅立葉級(jí)數(shù)方法對(duì)周期性非正弦波形電量進(jìn)行分解，最終得到兩種類型分量：第一種分量是基波f（頻率）相同；第二種分量是分量頻率大于基波頻率。第二種類型被稱為諧波。在實(shí)際中諧波次數(shù)計(jì)算方法為：

當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)非整數(shù)倍諧波時(shí)，該諧波被稱為非諧波。在電網(wǎng)中由于諧波的出現(xiàn)使得電網(wǎng)被“污染”。

1.2 玻璃生產(chǎn)中諧波的產(chǎn)生

諧波主要是由電源質(zhì)量、電力系統(tǒng)輸出過(guò)程以及用電設(shè)備產(chǎn)生。在實(shí)際中，電源質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生諧波的主要原因是電能是由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的。在發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中是由三相組構(gòu)成，在制造過(guò)程中由于誤差等其他因素使得三相不能做到理論對(duì)稱。由于制造工藝，使得鐵心不能完全均勻一致，最終導(dǎo)致電源產(chǎn)生諧波。玻璃行業(yè)中諧波的危害主要表現(xiàn)在對(duì)生產(chǎn)玻璃的電器設(shè)備和電力電纜產(chǎn)生破壞。在浮法生產(chǎn)玻璃中，主要用到的電力設(shè)備是玻璃熔窯、錫槽。玻璃熔窯主要是由原料控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和氣體保護(hù)系統(tǒng)組成，這一過(guò)程主要是由DCS進(jìn)行控制管理。浮法工藝耗電量大，但是諧波以及無(wú)功功率產(chǎn)生數(shù)量少。玻璃纖維生產(chǎn)工藝的主要電力設(shè)備有大量玻璃抽絲機(jī)、大量玻璃織布機(jī)、生產(chǎn)玻璃球的玻璃熔窯以及錫槽。在玻璃纖維生產(chǎn)中將會(huì)產(chǎn)生大量諧波和無(wú)功功率。在鋼化玻璃生產(chǎn)中主要用到的電力設(shè)備是電爐，該生產(chǎn)線中將會(huì)產(chǎn)生大量諧波以及無(wú)功功率。玻璃生產(chǎn)過(guò)程中大量使用了變頻設(shè)備、可控硅調(diào)節(jié)功率設(shè)備、照明燈和UPS不間斷電源、變壓器、錫槽加熱控制設(shè)備等。在浮法生產(chǎn)線中，錫槽加熱主要有兩種方法：第一種是可控硅交流調(diào)壓調(diào)功方法；第二種是磁性調(diào)壓供電。可控硅調(diào)節(jié)是電壓、電流波形，不是正弦波形，從而產(chǎn)生高次諧波。在玻璃熔煉系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生主要有兩種：第一種是含有大量非線性元器件半導(dǎo)體設(shè)備；第二種是含有感性負(fù)載以及非線性的電力設(shè)備。玻璃生產(chǎn)中諧波次數(shù)與電路形成有著必然關(guān)系，被稱為電路特征諧波。在對(duì)稱三相交流電路中，特征諧波次數(shù)計(jì)算方法為：N=Kp±1，K=1、2、3……（正整數(shù)），p表示一個(gè)周期內(nèi)電網(wǎng)脈沖觸發(fā)次數(shù)。在玻璃行業(yè)中最有意義的特性諧波數(shù)目是5、7、11、13次。當(dāng)電網(wǎng)中出現(xiàn)多個(gè)諧波時(shí)，諧波量總和小于每一個(gè)諧波分量的算術(shù)和。當(dāng)電網(wǎng)中的多個(gè)諧波源中的同次諧波電流在唯一的線路上疊加在已知相角情況下結(jié)果為：

目前玻璃行業(yè)中三相配電變壓器主要采用Dyn11接線使得3次諧波不能進(jìn)入電網(wǎng)中。當(dāng)各相中粗線電流不均勻時(shí)將出現(xiàn)3次剩余諧波量流入電網(wǎng)中。

1.3 玻璃行業(yè)諧波的危害

諧波在玻璃行業(yè)中的危害主要表現(xiàn)在對(duì)供電電力設(shè)備和電纜的危害。具體表現(xiàn)在：

1.3.1 對(duì)變壓器的損害，由于諧波的產(chǎn)生，使得諧波電流增加銅損耗以及雜散損耗，諧波電壓會(huì)增加鐵的損耗，使得電阻增大，最終導(dǎo)致變壓器發(fā)熱，由于絕緣層長(zhǎng)期處于加熱狀態(tài)，很容易使絕緣層被氧化，由于諧波的產(chǎn)出，變壓器噪音會(huì)加大對(duì)環(huán)境產(chǎn)生噪音污染。

1.3.2 基波頻率以及諧波電流發(fā)生變化時(shí)對(duì)機(jī)械振動(dòng)也有影響，當(dāng)電氣勵(lì)磁頻率與機(jī)械振動(dòng)頻率相近時(shí)系統(tǒng)容易發(fā)生共振，最終使得電機(jī)損壞。

1.3.3 諧波會(huì)降低系統(tǒng)的功率因素，從而將諧波電流作為有功電流，最終造成增加用戶的電費(fèi)。

1.3.4 諧波能夠影響電子設(shè)備等，較高的諧波容易造成控制系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，最終影響到玻璃生產(chǎn)。在玻璃行業(yè)中，補(bǔ)償功率因數(shù)的主要方法是采用并聯(lián)電力電容器。然而在實(shí)際中由于電感與電力電容器的組合將產(chǎn)生諧波，并聯(lián)電容器中的容抗與諧波次數(shù)關(guān)系成反比關(guān)系，隨著諧波次數(shù)增大容抗減小，最終影響電容器的壽命。

1.3.5 由于電纜的集膚效應(yīng)使得電纜不斷被損害，很容易造成電纜發(fā)熱，最終影響電纜的壽命。

在玻璃行業(yè)中存在大型電熔爐諧波源，電力設(shè)備產(chǎn)生諧波污染將對(duì)配電系統(tǒng)中的供電質(zhì)量帶來(lái)極大危害，比如電壓和電流波形畸形、功率因素變低、電壓波動(dòng)大、各種用電設(shè)備出現(xiàn)發(fā)熱影響設(shè)備壽命、電網(wǎng)容量下降同時(shí)設(shè)備利用率降低、運(yùn)行成本加大，因此必須高度重視玻璃行業(yè)中諧波的治理，采用多種技術(shù)對(duì)諧波進(jìn)行抑制和解決。

2 諧波治理方法

當(dāng)諧波流入電網(wǎng)后，使得供電質(zhì)量差、對(duì)玻璃行業(yè)中的用電設(shè)備構(gòu)成威脅、危害電網(wǎng)安全，對(duì)控制系統(tǒng)正常運(yùn)行構(gòu)成威脅。對(duì)于玻璃行業(yè)中諧波的抑制主要是通過(guò)以下四種方法解決：

第一，對(duì)諧波進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，找到產(chǎn)生諧波的根源。目前關(guān)于諧波檢測(cè)方法主要有快速傅立葉變換法、小波變換法、基于傅立葉變換的頻域分析方法、模擬濾波法、瞬時(shí)無(wú)功功率法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變換法以及廣義d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換法等。

第二，需要對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，在玻璃生產(chǎn)中采用電熔技術(shù)該技術(shù)是在高溫下通過(guò)交變電場(chǎng)作用促使玻璃中堿金屬離子做復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生焦耳熱，所以當(dāng)電極饋入電能后，對(duì)于設(shè)備變壓器，爐體中的玻璃是成感性負(fù)載，使得功率因素變低需要進(jìn)行補(bǔ)充。文獻(xiàn)中對(duì)電熔爐無(wú)功諧波進(jìn)行分析改進(jìn)得到檢驗(yàn)公式為：

式中：Uci表示電容器承受基波電壓值；Ucn表示電容器額定電壓；Uch表示電容器上h次諧波電壓；Ici表示基波電流；Ich表示流過(guò)電容器的h次諧波電流；Icn表示電容器的額定電流。為了保證濾波器以及電力系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，在濾波器中添加了熔斷保護(hù)。在二次繼電器保護(hù)中添加了欠電壓保護(hù)、過(guò)電流速斷保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)以及過(guò)電流保護(hù)。通常玻璃工廠中的諧波沒(méi)有達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)下做無(wú)功補(bǔ)償，需要考慮諧波電流在某個(gè)諧波頻率下出現(xiàn)諧振的情況，防止諧波電流加大，從而損害電容器以及對(duì)電網(wǎng)安全構(gòu)成威脅。

第三，在錫槽加熱設(shè)備以及電力調(diào)整設(shè)備中需要使用有效保護(hù)措施使諧波盡可能消除。在玻璃廠中電加熱元件控制調(diào)節(jié)設(shè)備主要采用可控硅電力調(diào)節(jié)以及磁性調(diào)壓器。

第四，濾波器的使用，文中指出了采用芬蘭NOKIA公司成產(chǎn)的諧波過(guò)濾裝置應(yīng)用到玻璃廠中，玻璃廠中自備電力系統(tǒng)功率因數(shù)以及電容補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。系統(tǒng)功率因素達(dá)到94%以上，同時(shí)系統(tǒng)總畸變率小于2.8%。

3 結(jié)語(yǔ)

在玻璃行業(yè)正往節(jié)能、環(huán)保高效發(fā)展時(shí)，電網(wǎng)諧波抑制技術(shù)將得到應(yīng)用和發(fā)展。隨著人們對(duì)諧波的深入研究，新的諧波抑制技術(shù)將不斷出現(xiàn)。

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作者簡(jiǎn)介：呂昊（1987-），男，安徽蕪湖人，供職于蕪湖東旭光電科技有限公司，研究方向：動(dòng)力能源領(lǐng)域等。

（責(zé)任編輯：陳 倩）