工廠企業諧波治理方案及治理效果分析

張建聰

摘 要：主要對工廠企業諧波治理方案和治理效果進行了分析，對工廠的配電網諧波狀況作了系統分析，詳細論述了諧波的危害和治理方案設計，并討論了治理效果，以期為有關方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：配電系統；諧波；治理方案；治理效果

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.072

諧波是指電流中含有的頻率為基波整數倍的電量，一般指對周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。諧波會對工廠企業電氣設備的運行造成極大的影響。因此，要對諧波進行治理，保障工廠企業電氣設備的工作效率。本文就工廠企業諧波治理方案及其治理效果進行分析。

1 工廠配電網諧波狀況分析

1.1 配電系統總體描述

根據對工廠配電系統的電力參數和工作狀況測試發現，由于工廠空壓機線路和空調線路中帶有較多的變頻器負荷，導致大量的5，7，11等高次諧波注入到配電系統中，較高的諧波畸變因子導致電壓、電流波形畸變，嚴重影響了配電設備的正常工作，同時，給整個配電系統的安全運行埋下了隱患。

1.2 配電系統測試圖

從圖1和圖2中可看出，電網電壓和電流均已不是標準的正弦波，電流波形畸變相當嚴重，畸變率高達40%.其中，以5，7，11等高次諧波為主，是線路設備發熱、老化和絕緣降低的主要原因，對配電系統的危害極大，且電壓畸變率也已超過國標限制，亟待解決。

2 諧波的危害和治理方案設計

2.1 諧波的危害

2.1.1 諧波對配電線路和變壓器的危害

由于存在趨膚效應和鄰近效應，諧波阻抗要比基波阻抗大得多。理論分析表明，交流電流的趨膚深度與頻率的平方根成反比，因此，當線路導體的直徑或厚度大于趨膚深度的2倍時，線路的等效交流電阻將與電流頻率或諧波次數的平方根成反比。50 Hz基波電流的趨膚深度約為9.3 mm，5次諧波電流的趨膚深度約為4.1 mm，而11次諧波電流的趨膚深度僅有2.8 mm。因此，對于大容量的供電系統而言，趨膚效應的影響是很明顯的。對于變壓器繞組而言，要受鄰近效應的影響，且鄰近效應的影響比趨膚效應更嚴重，導致諧波阻抗大幅增加，最終導致導體發熱嚴重。大量的高次諧波不僅增加了配電線路損耗和變壓器的渦流損耗、雜散損耗，由于電纜發熱，還會導致絕緣老化，縮短了電纜的使用壽命，嚴重時會因線路過熱而引發火災。

2.1.2 諧波對用電設備的危害

諧波會使配電網中的用電設備產生附加的諧波損耗，降低了用電設備的效率和利用率。比如，諧波會產生脈動轉矩，導致電動機振動，進而影響產品質量和電機壽命；可導致感應電動機定子產生的旋轉磁場中含有正比于諧波頻率的正向或反向高速旋轉分量，在轉子導體中感應出高頻電流，并以I2R的形式在轉子導體電阻中消耗。對于中小型感應電機，10%的電壓諧波含量可導致電機損耗增加2%～3%. 諧波改變了電壓或電流的變化率和峰值，延緩了電弧的熄滅，會影響斷路器的分斷容量，導致斷路器保護功能失效，進而因無法切斷故障電流而使生產損失加大。

2.1.3 諧波對通信系統的影響

諧波通過電磁感應和傳導耦合等方式會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲、降低通信質量；重者將導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。此外，諧波的高頻信號還會對控制回路中的敏感電子元器件產生干擾，導致元器件采樣精度降低、控制電平紊亂、保護信號誤動作，進而使設備無法正常工作。

2.2 諧波治理方案設計

針對空壓機配電線路，其主變容量為1 600 kVA，低壓側為0.4 kV系統，配電線路較長，負荷主要是變頻器。由于變頻器的電力諧波含量較高，且頻譜較廣、功率因數較高，采用有源電力濾波器進行諧波治理的效果最好、性價比最高。

針對配電線路較長這一特點，建議采用就地補償的方式進行諧波治理。采用此方式有以下2個優點：①采用就地補償可以大大減少輸電線路中的諧波含量，降低線路損耗和絕緣老化，避免安全事故的發生。按照電力諧波源的頻譜規律，配電線路對諧波電流的等效阻抗約為其對基波阻抗的2倍，電力變壓器繞組對諧波電流的等效阻抗約為其對基波阻抗的10倍。因此，30%的電流諧波含量可導致配電線路的損耗增加20%，使電力變壓器銅損增加90%. 因此，采用就地補償消除配電線路中的諧波，可有效降低諧波導致的線損和變壓器銅損。②由于低壓側的配電支路眾多，強、弱電接線復雜，線性負載與非線性負載并存，所以，諧波對相鄰配電支路的干擾在所難免。其中，既有電力方面的，也有信號方面的。采用就地補償方式可消除諧波的臨近干擾，提高設備運行的安全性和可靠性。

2.3 現場數據仿真分析

根據現場測試數據進行模擬仿真，可得出系統電氣參數波形圖和諧波治理效果，具體如圖3所示。

通過仿真結果可發現，采用有源電力濾波器進行諧波治理后，配電室電壓和電流波形正弦度得到了明顯改善，說明諧波畸變因子得到了有效抑制。

3 治理效果

3.1 現場諧波治理效果

在靠近空壓機的配電線路側安裝了1臺200 A有源電力濾波器。濾波器未開啟時，電流波形嚴重畸變，電流畸變率高達40%，諧波電流主要以5，7，11等高次諧波為主；濾波器開啟后，電流波形明顯改善，基本接近正弦波，電流畸變率由40%降至4.9%，諧波電流抑制效果明顯。

3.2 經濟效益分析

濾波前，有功功率為170.7 kW，總功率因數PF為0.9；濾波后，由于諧波得到了有效抑制，電壓、電流的畸變率均大幅降低，諧波造成的無功占用基本消除，設備利用率得到了提高，在電流不變的情況下有功功率提高到了181.1 kW，提高了6.1%，總功率因數PF提高到了0.97，與基波功率因數cos基本相同。由此可見，電流中的諧波電流已被消除，只?；娏鳌Ｍ瑫r，諧波的消除降低了配電線路和變壓器的額外損耗、延長了設備的使用壽命、減少了后期的維護費用，消除了諧波導致的安全隱患，雖無法用數字具體計算資金數額，但其帶來的經濟效益是顯而易見的。

4 結論

綜上所述，諧波一直都是工廠企業設備的主要危害源，其不僅會影響機器的運行，還會嚴重影響工廠企業的安全運行。因此，需要及時制訂治理方案和采取有效措施對諧波進行防范和治理，從而為工廠企業獲得更大的經濟效益作出貢獻。

參考文獻

[1]張麗芹，劉懿.電力系統中小型鋼鐵企業的諧波及其治理[J].中國電力教育，2009（S2）.

[2]瞿煒平，胡愛中.工廠企業供電系統諧波治理研究[J].華東電力，2012（12）.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Mainly to factories and enterprises harmonic control scheme and control effect are analyzed， the factory power distribution network harmonic condition is analyzed systematically， the harm of harmonic and the design of controlling scheme is discussed in detail， and discuss the treatment effect， to the need for relevant provides beneficial reference and reference.

Key words： distribution system； harmonics； governance scheme； governance effect