棉紡織廠電力諧波分析及治理實踐

顏 冬 何建成

（新疆廣維現代建筑設計研究院有限責任公司，新疆烏魯木齊，830000）

棉紡織廠電力能源管理直接關系到企業的經濟效益［1-3］。企業生產需要穩定的電網電力質量和企業內部用電質量。隨著現代紡織科技的不斷發展，紡機設備傳統的調速方法發生了根本改變，傳統的齒輪、膠帶等傳動方式應用場景大幅度減少，交流電機多級調速、直流電機調速方式也普遍被變頻調速方式代替。一方面紡機設備自動化和智能化水平提高需要穩定可靠電源質量，另一方面紡機設備自動化和智能化水平提高需要大量采用變頻器等電器配件，在使用過程中這些電器配件又對電源質量施加影響，電力諧波問題隨之產生［4］。電力諧波給企業用電安全帶來的影響也日益凸顯，加強電力諧波的防治就顯得至關重要。

GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》對諧波允許值作出了明確的規定［5］。1998 年《電網電能質量技術監督管理規定》中第五條指出：因電網或用戶用電原因引起的電能質量不符合國家標準時，按“誰干擾，誰污染，誰治理”的原則及時處理，并貫穿于電網及用電設施設計、建設和生產的全過程［6］。《供電營業規則》中第五十五條指出：引起公共連接點電壓正弦波畸變率超過標準時，用戶必須采取措施予以消除，否則，供電企業可中止對其供電［7］。《電網運行準則》中5.2.6“諧波含量”條款中明確要求輸電系統諧波應滿足GB/T 14549—1993 的要求［8］。

1 棉紡織廠電力諧波的現場測試實例

從2016 年開始，我們公司在相關專業單位的配合下對新疆3 個棉紡織企業的數十個車間進行了電力諧波測試，以具有代表性并承擔主要負載任務的1 600 kVA/2 000 kVA 變壓器為重點，測量線路上所有常規的電力質量參數。在每個測量點上，測試三相電壓電流有效值、電壓諧波畸變率和電流諧波畸變率，繪制時間趨勢圖并進行分析。

1.1 測量點位

測量點位如圖1 所示。

圖1 電力諧波測量點位置

1.2 典型數據分析

（1）庫爾勒A 紡織廠3 號車間2 號配電室（2 000 kVA 變壓器）測試數據如下。其中，電壓總諧波畸變率8.5%，變壓器功率因數0.93。

（2）庫爾勒B 紡織廠轉杯紡車間配電室（1 600 kVA 變壓器）測試數據如下。其中，電壓總諧波畸變率7.2%，變壓器功率因數0.93。

（3）阿克蘇某廠4 號車間1 號配電室（2 000 kVA 變壓器）測試數據如下。其中，電壓總諧波畸變率9.3%，變壓器功率因數0.93。

從以上企業內部電力質量檢測結果來看，3個企業電壓總諧波畸變率均超過有關電力質量標準規定5%的要求。

2 電力諧波的危害

2.1 電力諧波對變壓器的影響

諧波電流增加了變壓器的銅損、鐵損，使變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，并造成容量裕度減小。電力諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，引起鐵心磁通飽和或歪斜，從而產生噪聲。據相關部門試驗，相同的電纜敷設條件，若通過一般的工頻電流，變壓器的使用壽命為25年，而含有高次諧波的非正弦電流，嚴重影響其使用壽命。

2.2 電力諧波對電力電容器的影響

隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數增大、附加損耗增加，電容器容易發生故障和縮短壽命；另一方面，電容器電容與電網感抗組成諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行［9］。這在紡織企業中普遍嚴重存在，且影響供電的正常運行。

2.3 電力諧波對電力電纜的影響

在導體中非正弦波電流產生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較，非正弦波有較高的熱量，該額外溫升是由眾所周知的集膚效應和鄰近效應引起的，而這兩種現象取決于頻率及導體的尺寸和間隔。這兩種效應如同增加了導體的交流電阻，進而導致線路損耗增加。

2.4 附加銅損和鐵損的形成

電力線路中諧波電流會在系統中各種電氣設備（如變壓器、電力電容器、輸電線路、電機及用電設備等）上造成附加銅損和鐵損。可以把諧波源看作產生諧波的發電機，其諧波能量是通過設備非線性基波的能量轉換而來的。諧波電流是由非線性負荷產生，然后注入電網系統中，消耗在負荷及線路上。通過安裝無功補償設備，可以有效降低相線電流值，從而達到節能的目的。同時，由于運用濾波設備后將供電系統中的諧波進行濾除，減小了相線上電流的有效值，使母線上的電流下降，從而提高了變壓器和發電機的供電容量。

2.5 事故隱患的發生

傳統無功補償電容器裝置過載燒壞現象頻繁出現，有火災隱患；高次諧波引起的電纜、銅排的集膚效應使得電纜、銅排發熱嚴重，絕緣老化、使用壽命下降；過高的諧波電壓尖峰可能擊穿用電設備的輸入模塊，威脅用電設備的可靠運行；諧波含量過高可能影響系統中弱電系統的正常運行，干擾通訊系統的正常工作；引起三相不平衡，為三相設備的安全運行帶來隱患，大量零序諧波造成系統中線電流過大，在某些單相負載嚴重場合，中線電流可能超過相線電流引發過載事故。

3 電力諧波電流電壓限值

根據GB/T 14549—1993，各電壓等級諧波電壓值如表1 所示。在基準短路容量10 MVA下，注入0.4 kV 母線的各次諧波電流允許值如表2 所示。

表1 公共電網諧波電壓限值

表2 各次諧波電流限值

4 目前采用的幾種諧波抑制方式

（1）減少諧波源的諧波含量。通過改變設備裝置和改變供電方式減少諧波源的諧波含量，主要有增加可控硅變換裝置脈沖數、改變供電系統的運行方式、減少發電機產生的諧波等方法。

（2）在電容回路中串接電抗器，主要用于低壓配電室，可部分抑制諧波電流的放大和影響［10］。

（3）在諧波源處就近安裝交流濾波器，主要用于高壓電網。這是在諧波源設備已經確定的情況下，防止諧波電流注入電網的有效措施。

（4）采用有源濾波器。

（5）重諧濾波補償裝置。在考慮基波+諧波的“全電流，全電壓”電網環境下，配置“基波無功補償+諧波治理容量”兩部分，獨立劃分諧波治理空間，將諧波對補償裝置內各元器件影響控制在極低范圍內，保證裝置安全運行同時優化變壓器功率因數并有效治理諧波。

5 “重諧”的定義

（1）根據我國工業用電設備的諧波發射水平以及設備的抗擾水平，并參考標準GB/T 14549—1993、IEEE 519—2014《電力系統諧波控制的建議做法和要求》等標準，把0.4 kV 電壓總諧波畸變率大于5%的用電環境，定義為“重諧”。從多個紡織廠諧波測試的數據來看5 次、7 次畸變率遠大于國家標準，造成的主要影響有變壓器、電纜、母排異常振動、高溫，設備絕緣損壞導致的各類電氣事故；電網受諧波污染嚴重，精密設備和工藝設備誤動作、不受控、報警停機，產品報廢；電容補償元件壽命大幅縮短，損壞嚴重幾乎停運等。

（2）隨著現代工業以及電力電子技術的不斷發展，用電設備越來越復雜多樣化，由此引發了諸多用電質量問題。除了功率因數低的問題之外，各種“高精尖”設備的廣泛應用又為電網引入大量諧波，導致大量的精密儀器均受電力諧波影響。如今，整個配電系統也從原來的低功率因數到高功率因數，輕諧波轉變為重諧波。通過對大量企業調研后發現，以變頻器負載為主的紡織企業，按傳統設計的無功補償裝置投入后頻繁故障甚至無法使用。在負荷類型發生很大變化情況下，傳統無功補償已無法滿足現有負荷的使用要求。

6 兩種諧波治理方案實例

6.1 采用有源濾波器

（1）在阿克蘇某紡織廠，對十廠后紡2#配電室2#變壓器（1 600 kVA）采用有源濾波裝置（APF）進行諧波治理。APF 和無功補償配置：（APF-300A+FC-100kVar）×1+（APF-400A）×1。治理效果：APF 和無功補償裝置投入后，低壓側5次諧波電流從402 A 降低到255 A，電壓諧波畸變率從7.7%降低到6.2%（未達到標準5%），功率因數從0.95 提高到0.97，治理效果一般。低壓側具體測試數據對比如下。

（2）在阿克蘇某紡織廠，對八廠后紡1#配電室2#變壓器（2 000 kVA）采用有源濾波裝置（APF）進行諧波治理。APF 和無功補償配置：（APF-300 A+FC-100 kVar）×2。治理效果：APF 和無功補償裝置投入后，低壓側5 次諧波電流從386 A 降低到290 A，電壓諧波畸變率從6.6%降低到5.5%（未達到標準5%），功率因數從0.95 提高到0.96，治理效果一般。低壓側具體測試數據對比如下。

6.2 采用重諧濾波補償裝置

（1）在莎車某紡織廠，對1#廠房前紡3#變壓器（2 500 kVA）采用重諧濾波補償裝置進行治理。重諧濾波補償配置：（LZS-GT0.4/600L6）×2。治理效果：重諧濾波補償裝置投入后，低壓側5 次諧波電流從141 A 降低到49 A，電壓諧波畸變率由4.6%降低到2.5%，功率因數從0.85 提高到0.99，諧波治理效果較為顯著。低壓側具體測試數據對比如下。

（2）在莎車某紡織廠，對1#廠房后紡1#變壓器（3 150 kVA）采用重諧濾波補償裝置進行治理。重諧濾波補償配置：（LZS-GT0.4/800L8）×2。治理效果：重諧濾波補償裝置投入后，系統電流由2 690 A 降低到2 485 A，低壓側5 次諧波電流從463 A 降低到168 A，電壓諧波畸變率從9.3%降低到4.9%，功率因數從0.95 提高到0.99，治理效果顯著。低壓側具體測試數據對比如下。

6.3 兩種諧波治理方案比較

我們對兩種諧波治理方案的優缺點進行比較。APF 和無功補償方案：占地面積大，APF 和無功補償配置為全電力電子器件，對散熱、安裝、環境要求高，工業現場需定期維護；容性、感性雙向補償，調節三相不平衡，諧波濾除頻帶寬；運行環境相對較好、可應用在負載動態變化的現場（如數據中心、體育中心、劇院、醫院等）；自身損耗3%，投資維護運行成本比較高。重諧濾波補償方案：濾波補償二合一，是一體柜，占地面積小；真空接觸器、電容、電抗參數專業定制，穩定性強，可適應惡劣環境，3 年免維護；補償、濾波、提升電壓同步進行，對特定次諧波濾波能力強；可應用在大量使用變頻器、伺服電機和穩定、連續運行的工業現場（紡織、食品、陶瓷、水泥、電子等）；自身損耗0.3%，投資維護運行成本是前者的2/3。

7 結語

對于現代棉紡織廠來說，用電質量是保證其安全正常運行的關鍵環節，諧波抑制的方式從電容回路中串接電抗器到交流濾波器（有源濾波器），再到目前可以根據負載情況精準重諧濾波補償的方式，是人們對諧波從抑制發展到諧波濾除不斷認識和進步的過程。通過棉紡織廠電力諧波治理實例分析發現，采用重諧濾波補償方案占地面積小，對環境適應性強，治理諧波和功率補償相結合，諧波治理效果顯著，投資維護成本低，適用于棉紡織廠電力諧波治理。