論工業(yè)廠房供配電系統(tǒng)諧波問題及對策

何仁彪

摘 要：結(jié)合當(dāng)前的工業(yè)廠房供配電系統(tǒng)發(fā)展情況，從自身的工業(yè)廠房供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，分析了工業(yè)廠房電網(wǎng)諧波引發(fā)的故障，在此基礎(chǔ)上，有針對性地提出了諧波治理措施，結(jié)合案例探討了濾波器裝置在工程中的合理應(yīng)用，希望對于有效解決工業(yè)廠房供配電系統(tǒng)諧波問題有所幫助。

關(guān)鍵詞：工業(yè)廠房;供配電設(shè)計(jì);諧波問題;諧波原因;濾波器

隨著工業(yè)化大生產(chǎn)的逐步發(fā)展，工廠配電系統(tǒng)中的非線性負(fù)載應(yīng)用量日趨增加。在這樣的情況下，非線性負(fù)載也會造成高頻率的諧波問題，在進(jìn)行電源反饋環(huán)節(jié)中，會使得供電系統(tǒng)中存在著電壓不穩(wěn)定或者電波畸形的問題，造成電能產(chǎn)生的質(zhì)量受到影響。另外，諧波問題還會影響到場內(nèi)通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)，容易造成企業(yè)運(yùn)行的混亂情況。所以，我們應(yīng)該充分重視工業(yè)廠房供配電系統(tǒng)諧波問題，這樣才能滿足有效全方位提升電能力質(zhì)量的要求。

1 供配電系統(tǒng)諧波以及其危害

1.1 諧波

隨著工業(yè)化大生產(chǎn)的開展，諧波問題在諸多領(lǐng)域都有涉及，這里所指的諧波則是電力諧波，主要就是在周期波，或者量的正弦波分量，相應(yīng)的頻率情況則是為整數(shù)倍的基波頻率的情況。在電力系統(tǒng)中，正是由于存在著非線性的負(fù)載情況，這樣則容易造成諧波問題的出現(xiàn)。特別是在相應(yīng)的非常規(guī)的變換影響下，考慮到特定的電力系統(tǒng)的參數(shù)以及條件的作用，往往會造成系統(tǒng)的工作狀態(tài)的無序化問題較為嚴(yán)重，這樣存在著不斷動態(tài)化的電流大小情況。在相應(yīng)的情況下，就會造成諧波問題。針對三相系統(tǒng)進(jìn)行分析，在對稱條件下，往往僅有奇次諧波的情況，這也是供配電系統(tǒng)中的主要類型。

1.2 諧波的危害

1.2.1 增加線損

結(jié)合電力系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)來看，主要在諧波電壓以及諧波電流的影響下，其具有一定的持續(xù)性的特點(diǎn)，難以在短時(shí)間進(jìn)行有效控制或者進(jìn)行消除，這樣作用往往呈現(xiàn)出持續(xù)化積累的特點(diǎn)，會造成線路以及相關(guān)構(gòu)件的受損情況的出現(xiàn)，往往還是會造成變壓器的帶載能力有所降低，不能保障電力系統(tǒng)的正常化工作要求。

1.2.2 降低設(shè)備的使用壽命

結(jié)合諧波的發(fā)展情況來看，其還會造成設(shè)備的使用壽命受到影響，特別是影響到設(shè)備構(gòu)件情況，通過增加絕緣材料的電應(yīng)力情況來看，則會有效在特定的情況下，有效保障變壓器和電容器的渦流損耗有所增加，這樣的影響下，從而會造成變壓器的金屬繞組受到很大程度的影響，往往存在著電力設(shè)備中較大的噪音以及過熱的情況，從而存在著絕緣老化的問題，造成設(shè)備的使用壽命難以維系，出現(xiàn)直線下降的情況。

1.2.3 影響通信

諧波問題直接影響到相應(yīng)的通信活動開展情況，考慮到不固定的諧波長度的實(shí)際情況，這樣會造成通信環(huán)節(jié)中長波、短波都會受到影響，往往存在著通信噪聲增加的情況，一般來說，這種影響往往是在縮短距離情況下而會更加明顯，還會影響到語音信號、視頻信號傳輸?shù)裙ぷ鳌?/p>

1.2.4 引發(fā)誤動作

一般情況下，在諧波影響下，機(jī)電設(shè)備的繼電器會造成工作能力出現(xiàn)大幅度下降的情況，實(shí)踐中難以有效區(qū)別三次諧波以及零序電流的情況，會造成誤保護(hù)動作的情況。另外，相關(guān)的自動裝置在諧波影響下也會存在著誤動作的情況，從而產(chǎn)生相應(yīng)的跳閘事故問題。

2 工程概況

這里結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析，選擇某針織廠作為研究對象，從實(shí)際出發(fā)來看，結(jié)合相應(yīng)的廠區(qū)內(nèi)部的實(shí)際布局情況，以及相關(guān)的車間生產(chǎn)實(shí)際數(shù)量以及分布情況?？傮w來看，一共設(shè)置到六座的變配電室，其中，變壓等級為10/0.4kV，相對應(yīng)的運(yùn)行電壓為10kV。在此過程中，結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際需求來看，1號變配電室為主配電室，內(nèi)部設(shè)置了10kV環(huán)網(wǎng)柜的情況，主要利用工業(yè)園區(qū)兩個不同的35/10kV變電站來滿足廠房的供電需求。結(jié)合實(shí)際的廠房運(yùn)行情況，其中涉及到直流操作電源一套，綜合自動化系統(tǒng)一套，結(jié)合相應(yīng)的廠區(qū)中的消防備用電源的實(shí)際生產(chǎn)需求，考慮到紡織生產(chǎn)工作的實(shí)際性特點(diǎn)，進(jìn)行配置了一套柴油發(fā)電機(jī)。在此基礎(chǔ)上，還進(jìn)行配置了10多個0.4kV的低壓配電室等，利用總線監(jiān)控處理技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)在值班室進(jìn)行廠區(qū)內(nèi)變配電室的線路運(yùn)行狀況的動態(tài)化監(jiān)測，這樣有助于快速解決存在的故障問題，便于更好地維系紡織廠的正常工作要求。

3 工業(yè)廠房電網(wǎng)諧波引發(fā)的故障分析

針對在工業(yè)廠房的供配電系統(tǒng)中的中、低壓的變頻器來說，其會造成諧波的逐漸泛化情況。另外，如果在電力系統(tǒng)中存在著利用電加熱對于晶閘管的調(diào)壓或整流處理、應(yīng)用一系列的大容量的應(yīng)急電源（EPS）、大規(guī)模應(yīng)用大容量的不間斷電源（UPS）等情況，這樣也會增加出現(xiàn)諧波問題的概率[1，2]。一般來說，工廠配電網(wǎng)絡(luò)中的諧波問題所引發(fā)的故障主要表現(xiàn)在如下方面：一是，操作失誤問題，往往發(fā)生在循環(huán)水的變電站中，相應(yīng)危機(jī)保護(hù)系統(tǒng)容易出現(xiàn)操作失誤問題;二是，在TPU配電室中，容易導(dǎo)致出現(xiàn)電容器柜失火問題;三是，跳閘問題，一般表現(xiàn)在斷路器、進(jìn)線的隔離開關(guān)中;四是，非正常熔斷問題，往往表現(xiàn)為斷路器誤動作或熔斷器熔體中。究其原因，主要涉及到如下方面：輸配電系統(tǒng)中存在著電力變壓器帶來的諧波問題，諧波大小和磁路的運(yùn)行回路、鐵心的飽和狀態(tài)有著關(guān)聯(lián);發(fā)電廠的電能質(zhì)量不達(dá)標(biāo);用電設(shè)備所造成的諧波問題。

在本工程案例中，工業(yè)廠房項(xiàng)目中的諧波問題主要是由于用電設(shè)備的影響，就其來源主要包括如下：（1）變頻裝置產(chǎn)生的諧波。在此工業(yè)廠房中應(yīng)用了功率不同的變頻裝置超過一百臺，最大功率為540kW。結(jié)合系統(tǒng)中的相位控制影響下，這種諧波具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，涉及到整數(shù)次的諧波，還有著分?jǐn)?shù)次的諧波。（2）晶閘管整流設(shè)備所造成的諧波問題。在本工程中的存在著五套的電瓶車的充電裝置，還涉及到六套的200kW的電加熱開關(guān)，這樣情況下，由于設(shè)備的調(diào)壓整流作用，系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)奇次諧波，且具有比較大的諧波量。（3）在受到直流屏或大容量的UPS和EPS的影響下，會出現(xiàn)諧波問題。在這個項(xiàng)目中，一共有者100Ah的直流屏的六套，還涉及到緊急電源、不間斷電源等十多臺，最大功率為30kVA。

4 諧波治理措施分析

此工程項(xiàng)目中，針對諧波治理問題來說，則應(yīng)重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行思考[3]：一是，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的承受濾波能力得到提升，以保障供電電壓等級的提升，實(shí)現(xiàn)和公共電網(wǎng)連接的短路容量得到有效提升，從而有效控制好諧波對于電網(wǎng)以及自身的影響，要保證能控制其在一定范圍內(nèi)，盡量有效控制對于電網(wǎng)的影響;二是結(jié)合諧波源的角度來看，從整體上實(shí)現(xiàn)大部分諧波量值得到消除，降低干擾污染問題。一般來說，則是通過無源LC濾波裝置及有源濾波裝置APF等方式。這里結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況來看，主要重點(diǎn)進(jìn)行濾波裝置的應(yīng)用情況。

4.1 無源濾波裝置的應(yīng)用

利用無源濾波裝置，能有效抑制諧波產(chǎn)生，主要是通過電路產(chǎn)生諧振，并能有效滿足諧波的抵阻抗的流經(jīng)線路，這樣能有效利用分流的方式來處理諧波。具體來說，所涉及到諧波類型主要涉及到單調(diào)諧濾波器和高通濾波器等。前者主要是適用于對于特定某一種頻率的諧波，能夠產(chǎn)生固定次數(shù)的低阻抗分流要求;后者則是在實(shí)際應(yīng)用中，配合著前者來共同使用，結(jié)合這里工程的實(shí)際情況，采用5、7、11次單調(diào)諧濾波器來實(shí)現(xiàn)諧波分流的作用，這樣的能夠有效處理八成以上的諧波，剩下的流入電網(wǎng)系統(tǒng)中，能有效提升安全系數(shù)。

從整體上來看，通過這種方式的濾波器能有效節(jié)省投入成本，具有比較高的諧波過濾效率，符合工業(yè)廠房生產(chǎn)的要求。但應(yīng)該注意到，單調(diào)諧濾波器則是僅能消除特定頻率的諧波，又加上有一定的次數(shù)限制，在具體的實(shí)踐應(yīng)用中，還會存在著材料消耗較多的問題。

4.2 有源濾波裝置的應(yīng)用

利用有源濾波裝置來進(jìn)行諧波抑制的過程中，主要是結(jié)合負(fù)載電波的實(shí)際監(jiān)測，能夠弄清楚具體的諧波電流的補(bǔ)償成分，通過必要的反向操作，能夠?qū)⒂|發(fā)絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）實(shí)現(xiàn)流入電力系統(tǒng)。同時(shí)，還能有效實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。相比而言，這種濾波器所具備如下特點(diǎn)：一是，過濾諧波環(huán)節(jié)受到系統(tǒng)阻抗影響比較小，可以忽略不計(jì)，能有效提升運(yùn)行的安全系數(shù);二是，能保障滿足無功補(bǔ)償，有效抑制相應(yīng)的閃變，性價(jià)比較高;三是，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，結(jié)合動態(tài)化的諧波補(bǔ)償量，有效實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動化調(diào)整。主要缺陷則是體現(xiàn)在造價(jià)較為昂貴，且運(yùn)行中的損耗相比而言較大。

5 濾波器裝置在工程中的合理應(yīng)用

結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，這里采用的則是混合型配電系統(tǒng)，在具體的廠房中治理諧波的過程中，主要涉及到以下三個方面的內(nèi)容[4-5]：一是，總補(bǔ)償，其滿足于分布不集中的非線性負(fù)載的情況，同時(shí)，單臺的容量比較小。從實(shí)際情況分析，則僅需要將APF安裝在低壓電源的總的進(jìn)線位置，能起到較好的分流諧波的作用;二是，部分補(bǔ)償，這種方式適用于分布比較集中的非線性負(fù)載的情況，具體應(yīng)用在幾條支路。具體來說，在相關(guān)設(shè)備分布的同一區(qū)域中，供電則通過單獨(dú)母線，能實(shí)現(xiàn)LC安裝在母線供電一端;三是，局部補(bǔ)償，這種方式能滿足于非線性負(fù)載分布較為集中且容量較大的情況，比如，針對電弧爐所應(yīng)用情況，可以通過APF安裝來進(jìn)行諧波消除。

6 結(jié)語

由此可見，在供配電系統(tǒng)中，只有從實(shí)際出發(fā)，弄清楚諧波產(chǎn)生的原因，才能在此基礎(chǔ)上提出有針對性的解決措施，以保障工程項(xiàng)目的生產(chǎn)順利的基本要求。有效解決諧波問題，能全方位保障供電質(zhì)量得到提升，更好地推動工業(yè)生產(chǎn)的開展，也有利于維護(hù)好經(jīng)濟(jì)社會的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]張大煒.鍋爐房供配電系統(tǒng)的諧波治理策略研究[J].電力系統(tǒng)裝備，2019，19.

[2]孫宏斌.煤礦供配電系統(tǒng)諧波分析與治理[J].礦業(yè)裝備，2019，5.

[3]許瑩.供配電系統(tǒng)內(nèi)諧波對電容補(bǔ)償?shù)挠绊懛治鯷J].電工技術(shù)，2019，14.

[4]愛普科斯，Lukas Motta.改善電能質(zhì)量、減少諧波的有源諧波濾波器[J].電力系統(tǒng)裝備，2016，8.

[5]史金春.工業(yè)廠房低壓無功補(bǔ)償相關(guān)參數(shù)計(jì)算[J].智能建筑電氣技術(shù)，2019，2.