工廠供配電中諧波的影響與抑制

潘可喜

（五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán)有限公司 湖南長沙 410000）

工廠供配電中諧波的影響與抑制

潘可喜

（五礦二十三冶建設(shè)集團(tuán)有限公司 湖南長沙 410000）

工廠中的非線性負(fù)載是工廠電網(wǎng)諧波的主要來源，通過分析工廠的電網(wǎng)諧波電流污染情況以及對設(shè)備的危害，提出幾種工廠的主要諧波抑制的措施。

諧波；工廠；抑制

1 引言

在理想狀態(tài)下，電網(wǎng)中的電流和電壓都是純粹的正統(tǒng)波。近年來，隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使電網(wǎng)運(yùn)行中的諧波分量急劇增加，從而嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量，危及用電安全，造成能源浪費(fèi)。

所謂的諧波即是通過傅立葉實(shí)現(xiàn)對周期性非正弦電量的分解，從而得到一系列具有不同頻率的分量，其中比基波頻率大的部分即被稱為諧波，其頻率和基波頻率的比值則是諧波次數(shù)。當(dāng)正弦基波對非線性設(shè)備施加電壓時，其產(chǎn)生的電流和施加電壓的波形不同，從而導(dǎo)致電流防滲畸變，諧波由此產(chǎn)生。諧波在電網(wǎng)中，主要分為含半導(dǎo)體的非線性元件和含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源這兩類。

諧波污染不僅對工廠電網(wǎng)安全供電以及工廠的安全生產(chǎn)都有危害，還會造成電能損耗的增加，應(yīng)對工廠電網(wǎng)的諧波狀況有清晰的認(rèn)識，并有相對應(yīng)的措施。

2 變壓器諧波抑制

諧波會直接導(dǎo)致變壓器過熱，實(shí)際上，電力電子裝置被廣泛應(yīng)用前，變壓器就是存在于電網(wǎng)的諧波源。

勵磁回路的非線性直接產(chǎn)生了變壓器的諧波電流，一般情況下，正弦電壓是被施加在變壓器上的，則該電壓和鐵心磁通是一種微分關(guān)系，如下：

式中：N和φ分別為變壓器的繞組匝數(shù)和鐵心磁通。

由此可見，鐵心磁通是根據(jù)正弦規(guī)律發(fā)生變化的，區(qū)別在于鐵心磁通的相位比電壓的相位后π/2。鐵心的磁化曲線直接決定了勵磁電流和磁通的關(guān)系，由于磁化曲線屬于非曲線，直接導(dǎo)致正弦磁通產(chǎn)生了非正弦的電流。從傅立葉對波形的分解來看，含有把3次諧波作為主體的奇次諧波。

變壓器有一側(cè)采用了三角形進(jìn)行聯(lián)結(jié)，有利于為3的倍數(shù)次諧波提供有效通路，從而使鐵心磁通和電動勢更加接近正弦波，而3的倍數(shù)次諧波所產(chǎn)生的電流只在三角形回路中進(jìn)行流通，不允許流入公用電網(wǎng)，而6k±1次諧波是可以流入公用電網(wǎng)的。如表1所示，D，yn11聯(lián)結(jié)組變壓器高壓側(cè)繞組為三角形聯(lián)結(jié)，從而可以有效抑制3的倍數(shù)次高次諧波流入高壓電網(wǎng)。

表1 兩種接線組別變壓器原副邊波形分析

3 變頻器諧波抑制

變頻器的組成部分主要是大功率二極管整流和晶體管逆變，電流高次諧波會在輸入電路和輸出電路中出現(xiàn)，會對供電系統(tǒng)、負(fù)載電機(jī)及其他鄰近電氣設(shè)備總成諧波干擾，而對儀表控制設(shè)備造成電磁干擾（EMI）。抗干擾主要從對干擾源的一直和消除入手，對傳導(dǎo)的高頻電流進(jìn)行濾掉或隔離處理，直接屏蔽輻射源和受到干擾的儀表線路，主要常用的方法如下：

（1）將電抗器串接在變頻器的輸入和輸出側(cè)，在變壓器的輸出側(cè)再串接零序電抗器，或在容量比較大的變頻器處安裝LC型諧波濾波器，以此來實(shí)現(xiàn)對諧波的有效抑制。

（2）通常，變電所在日常運(yùn)行中，會用到大量變頻器，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)時，要保持變頻系統(tǒng)供電電源和其它設(shè)備供電電源的獨(dú)立性，還可以將隔離變壓器安裝在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)處，從而切斷諧波所產(chǎn)生的電流。

（3）電機(jī)和變頻器之間電纜可穿鋼管敷設(shè)或用鎧裝電纜，并和其他弱電信號保持較遠(yuǎn)距離，防止輻射對其進(jìn)行干擾。

（4）變頻器對電纜的控制。主要采用屏蔽線，在布線時，要注意和主回路控制線保持一定的距離，從而實(shí)現(xiàn)對輻射干擾的有效切斷。

（5）變頻器可使用專有的粗短線進(jìn)行接地處理，并分開相鄰其它電器設(shè)備的地線和變頻器的配線，從而有效抑制電流諧波和鄰近設(shè)備的輻射干擾。

4 高次諧波對并聯(lián)電容器的影響及抑制措施

高次諧波對并聯(lián)電容器的影響，表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）增加電容器損耗。電容器中存在一定的諧波電流，會直接加大電容器在運(yùn)行時的損耗功率。

（2）增加無功輸出。由于存在一定的諧波電流，電容器所發(fā)出的總無功主要包括基波無功和諧波無功。

（3）導(dǎo)致諧波過電壓或過電流的發(fā)生。諧波的存在，在一定程度上，會導(dǎo)致電容器和整個系統(tǒng)之間產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振的現(xiàn)象，從而引起電容器過電壓或過電流。

以上現(xiàn)象都會導(dǎo)致電容器過熱，從而損壞電容器的使用。因此，可從供電系統(tǒng)和無功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)著手，采取有效可行的措施，來降低或避免高次諧波對電容器的損害，具體方法為：

（1）降低高次諧波電流發(fā)生量。以整流裝置為諧波源的系統(tǒng)，在經(jīng)濟(jì)合理時，可增加整流相數(shù)和整流脈沖數(shù)；多臺相數(shù)相同的整流裝置，使整流變壓器二次有適當(dāng)?shù)南嘟遣睢?/p>

（2）設(shè)置濾波器。當(dāng)發(fā)生的高次諧波造成的諧波指標(biāo)超過國家規(guī)定值時，宜將無功補(bǔ)償電容器作成濾波器。

（3）串電抗器。為減少電容器和合閘涌流里存在諧波，可對適當(dāng)參數(shù)的電抗器進(jìn)行串聯(lián)。在可能產(chǎn)生的任何諧波下，選擇合理的感抗值，使得電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從而減少降低發(fā)生諧振的可能性。電抗器的感抗值按下式計(jì)算：

式中：XL——串聯(lián)電抗器的感抗，Ω；

Xc——補(bǔ)償電容器的工頻容抗，Ω；

n——可能產(chǎn)生的最低諧波次數(shù)；

K——可靠系數(shù)，一般取1.2～1.5。

對6相整流線路，n=5，則：

為了避免出現(xiàn)鐵磁諧振的現(xiàn)象，通常情況下，可采用無鐵芯的電抗器。電抗器的額定電流要比電容器的實(shí)際電流稍大。但要注意的是，串聯(lián)電抗器會造成電容器基波電壓的升高，其值為：

式中：Uc——電容器的基波電壓升高，kV；

U1——系統(tǒng)額定電壓，kV。

對于5次諧波，端電壓升高可達(dá)6%，所以電容器額定電壓應(yīng)高于系統(tǒng)電壓。用于星形或雙星形接線，6.3kV系統(tǒng)應(yīng)采用4kV電容器，10.5kV系統(tǒng)應(yīng)采用6.6kV電容器。

（4）避免串聯(lián)諧振。系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振的頻率或次數(shù)為：

式中：f——系統(tǒng)的基波頻率，Hz；

fs——串聯(lián)諧振頻率，Hz；

St——變壓器額定容量，kVA；

Zt——變壓器阻抗的標(biāo)幺值，%；

SL——負(fù)荷容量，kVA；

QC——電容器的額定容量，kvar；

ns——串聯(lián)諧振的諧波次數(shù)。

在串聯(lián)諧振時，一較小的諧波電壓，就可形成較大的諧波電流流過電容器，在電容器等參數(shù)的選擇上應(yīng)避開諧振條件。

（5）避免并聯(lián)諧振。發(fā)生并聯(lián)諧振的頻率或次數(shù)為：

式中：Sk——電容器連接處母線短路容量，MVA；

np——并聯(lián)諧振的諧波次數(shù)。

并聯(lián)諧振對諧波源呈現(xiàn)高阻抗，使得母線諧波電壓升高，造成電容器回路諧波電流很大，甚至可達(dá)十幾倍到幾十倍。

并聯(lián)諧振次np的演算，應(yīng)考慮系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化，即要驗(yàn)算系統(tǒng)Ssmin～Ssmax范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的并聯(lián)諧振點(diǎn)。當(dāng)為了確定諧振的情況時，應(yīng)測量負(fù)荷側(cè)和電源側(cè)的諧波電流，以及母線的諧波電壓。

5 結(jié)束語

以上是工廠中幾種最常見的諧波問題及解決辦法。只要我們重視，就可以保證設(shè)備安全與系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

TM714

A

1004-7344（2016）14-0060-02

2016-4-26

潘可喜（1978-），男，工程師，項(xiàng)目經(jīng)理。