除塵器高頻電源回路串聯電抗器抑制諧波分析

吳長波

（國能寶清煤電化有限公司，黑龍江 雙鴨山 155600）

靜電除塵器高頻電源使用大功率開關電源非線性元器件，工作中產生奇次電流諧波，使除塵380 V低壓設備工作時發熱量增大，曾導致電除塵振打加熱器柜元器件溫度過高，發生2次不明原因的著火。

要想減小諧波影響，應首先對諧波源采取適當的技術措施，并根據諧波大小、措施經濟性等綜合比較確定方案。對于基準短路容量為10 MVA低壓電網，根據GB/T 14549—1993標準：380 V低壓電網各次電壓奇次諧波含有率不大于4%；注入電網的諧波電流允許值不大于62 A（3次）、不大于62 A（5次）、不大于44 A（7次），這個標準是限制諧波源注入電網的諧波電流，把電網諧波電壓控制在允許范圍之內，使接在電網中的電氣設備免受諧波干擾。為降低改造費用，本次通過在一次電源回路中串聯干式電抗器，使諧波源產生的諧波電流減小，降低注入電網諧波電流幅值、降低諧波對周邊電氣設備的干擾。

三相交流電源經電抗器產生電壓降，具有抑制電流高次諧波作用，可以降低各奇次電流諧波向除塵器380 V低壓母線的注入，通過試驗，對不加裝電抗器與加裝電抗器前后對比進行分析。

1 諧波源檢測

為提高靜電除塵器除塵效率，在#1爐2臺除塵器的頂部1、2電場安裝8臺高頻電源，工作時產生奇次電流諧波，多個諧波源相互疊加、相互影響。通過檢測全面了解高頻電源產生的諧波特性，檢測出諧波源向電網注入的各次諧波電流數據，找到諧波源治理的方法。以#1爐3室1電場高頻電源為例，在高頻電源柜處利用DEWE-571電能質量分析儀進行檢測，當未加電抗器時，高頻電源380 V電源側諧波電流數據如表1所示。

表1 未加電抗器時的高頻電源380 V電源側諧波電流數據

檢測高頻電源5次電流諧波含量超標，5次電壓諧波含有率偏高。除塵器變壓器容量2 000 kVA，每臺高頻電源額定電流275 A（正常工作時，電流一般在190 A左右），單臺容量占比約9%。高頻電源工作時，其整流裝置將非正弦電流反饋至電除塵器低壓380 V母線，使接于低壓母線上的振打電動機、加熱器電纜等產生非正弦的壓降，使電壓波形產生不同程度的畸變，畸變的電壓又影響整流裝置。除塵器整流裝置產生的諧波電流是電除塵器低壓交流電網中的主要諧波源。各次諧波波形示意圖如圖1所示。

圖1 各次諧波波形示意圖

對以上檢測數據進行分析，5次電流諧波不滿足國標要求，需要采取限制措施，以提高380 V低壓電網質量。電流諧波在電除塵低壓電網中的危害性主要體現在以下幾個方面：①諧波電流會使振打電機鐵芯產生附加損耗，使電機本體發熱量增大、噪聲增大，加速電機定子繞組絕緣老化，諧波使電機轉子產生軸電流，加速電機軸承損壞；②諧波電流使電纜線路發熱，電纜線路對地電容容易使諧波放大，易造成電纜絕緣損壞；③高次諧波電流會加速振打加熱器柜中380 V限流式斷路器殼體和內部塑料器件的老化，降低其阻燃特性，甚至會引發火災事故；④電網諧波含量超標，增加了電網發生諧振的可能，引發很高的過電流或過電壓事故；⑤諧波干擾通信系統影響測量裝置的正常數據傳輸。

諧波電壓是由非線性用電負荷（一般為諧波電流源）產生的，為了控制電除塵器低壓母線電源諧波，必須采取相應的措施，限制高頻電源向電除塵低壓母線注入電流諧波，減少低壓用電設備諧波電流含有量。

2 串聯電抗器解決方案

在高頻電源回路中加入一個合適電抗器，利用電感具有阻止交流電流突變的特性，使得電路中諧波電流變化變緩，從而使電源電流中的諧波含有量數值減小。

式（1）中：L為電感，H；f為基波的頻率，Hz。

根據式（1），以電抗器電源側基頻電壓為380 V為例。

5%電壓降時，每相電感值：

7%電壓降時，每相電感值：

按基波頻率50 Hz的壓降5%、7%制作電抗器，按圖2所示接入高頻電源回路。串聯電抗器主要作用是抑制高頻電源工作時產生的5次電流諧波，阻止注入到電除塵380 V低壓電網，減小電流諧波含有量。

圖2 高頻電源回路

3 串聯電抗器試驗

按照圖2，分別進行電抗器5%、7%壓降抽頭諧波檢測試驗，檢測接入電抗器后，電抗器兩端諧波數據變化情況。

加裝5%壓降電抗器，380 V電源側的諧波實驗數據如表2所示。加裝5%壓降電抗器，高頻電源側的諧波實驗數據如表3所示。

表2 加裝5%壓降電抗器時的380 V電源側諧波實驗數據

表3 加裝5%壓降電抗器時的高頻電源側諧波實驗數據

加裝7%壓降電抗器，380 V電源側的諧波實驗數據如表4所示。

表4 加裝7%壓降電抗器時的380 V電源側諧波實驗數據

加裝7%壓降電抗器，高頻電源側的諧波實驗數據如表5所示。

表5 加裝7%壓降電抗器時的高頻電源側諧波實驗數據

從以上試驗得出，串聯電抗器可以降低高頻電源產生的電流諧波對電網的影響。以A相檢測的數據進行分析。

加裝電壓降為5%的電抗器時，對380 V低壓電網的諧波影響情況：5次諧波電流含有量由90 A降為52.5 A，達到國標要求；5次諧波電壓含有率由7.8%降為6%，有所改善。380 V電源側各次諧波電流含有量均滿足國標要求，但高頻電源側的電壓諧波有輕微的放大，5次諧波電壓含有率由7.8%增加到10.3%，7次諧波電壓含有率由3.8%增加到4.3%。

加裝電壓降為7%的電抗器時，對380 V低壓電網的諧波影響情況：5次諧波電流由90 A降為51.4 A，滿足國標要求；5次諧波電壓含有率由7.8%降為5.8%，有所改善。380 V電源側各次諧波電流滿足國標要求，但高頻電源側的電壓諧波有輕微的放大，5次諧波電壓含量有率由7.8%增加到11.5%，7次諧波電壓含有率由3.8%增加到4.8%。

經測試數據比較，選擇壓降為5%的電抗器，可以阻止5次諧波電流向低壓380 V除塵器低壓母線的注入，同時由于電抗器的加入，使高頻電源側諧波電壓有輕微放大，經計算不會對高頻電源電氣設備運行造成影響，故選擇壓降為5%的電抗器是比較適宜的。

4 結論

理論分析和實驗數據表明，當電源奇次諧波電流含量超標，且不超過20%國標值的情況下，在電源回路中加裝串聯電抗器改善電網諧波含量方法是可行的。足夠強的諧波源對電氣設備安全、穩定運行構成潛在威脅，給周圍電氣環境帶來極大影響，應引起重視，解決方法是要限制諧波源，消除電網參數的不利配合，在諧波治理過程中，為降低諧波治理投資費用，根據現場實際情況，適當選擇串聯電抗器方式，當諧波含量嚴重超標，需采取投資相對比較高的限制諧波技術方案。