干熄焦配電系統(tǒng)諧波分析及抑制

續(xù)偉民， 昌軍勝， 畢建軍， 荊 琳

（安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南安陽(yáng)455004）

安鋼集團(tuán)焦化廠干熄焦工程試運(yùn)行期間，提升機(jī)變頻器的電流型漏電保護(hù)斷路器頻繁跳閘，導(dǎo)致提升機(jī)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

1 原因初探

漏電保護(hù)斷路器每次跳閘后，經(jīng)仔細(xì)檢查及相關(guān)測(cè)試均未發(fā)現(xiàn)明顯故障點(diǎn)，試送也均成功，但提升機(jī)加速時(shí)，則又跳閘。

排除了漏電保護(hù)斷路器的定值整定、自身故障和接線錯(cuò)誤后，綜合各方面的因素，分析后認(rèn)為故障的原因可能是由于變頻器運(yùn)行時(shí)，輸出的電壓中包含諧波分量。

較大的諧波電流注入變頻器配電系統(tǒng)所致。電動(dòng)機(jī)繞組與外殼之間、導(dǎo)線對(duì)地之間存在著較大的分布電容，這些分布電容通過(guò)導(dǎo)線與地、機(jī)殼與地構(gòu)成漏電電流通路［1］。在電網(wǎng)正常供電的情況下，電源線上只有50Hz的工頻電壓，由于頻率較低，通過(guò)分布電容的漏電流很小。但當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，由于變頻器輸出的是幾千赫茲的高頻脈寬調(diào)制的電壓波形，輸出電壓為快速跳變的脈動(dòng)電壓，對(duì)于相同的電動(dòng)機(jī)同樣的分布電容，漏電流會(huì)增大百倍以上，這是由變頻器的工作原理決定的。同時(shí)，由于是電纜供電，分布電容較大，對(duì)高次諧波為低阻，故諧波的存在又導(dǎo)致漏電流劇增，致使經(jīng)常誤跳閘；因此，懷疑諧波是導(dǎo)致變頻器的電流型漏電保護(hù)斷路器頻繁跳閘的根源，本文進(jìn)行了相關(guān)點(diǎn)的諧波測(cè)試及分析［2］。

2 諧波測(cè)試及分析

2.1 干熄焦配電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

干熄焦高壓配電系統(tǒng)如圖1所示。兩段10kV母線，共有4臺(tái)變壓器，其中，提升機(jī)變壓器均為10／0.4kV，容量均為1 000kVA，2臺(tái)動(dòng)力變壓器的負(fù)載主要是水泵和除塵風(fēng)機(jī)，提升機(jī)變壓器的主要負(fù)載是4臺(tái)調(diào)速電動(dòng)機(jī)（2臺(tái)315kW和2臺(tái)37kW），提升機(jī)從啟動(dòng)、加速到勻速提升過(guò)程約需10s，然后是平移過(guò)程，最后是減速至零完成卸料，整個(gè)過(guò)程約持續(xù)100s。

圖1 干熄焦配電系統(tǒng)主接線簡(jiǎn)圖

2.2 諧波測(cè)試及分析

諧波測(cè)試時(shí)段：2011年3月1日10∶00至3月2日10∶00。

測(cè)試儀器：Fluke公司43B電能質(zhì)量分析儀（美國(guó)Fluke公司），電壓測(cè)量范圍為5～600V，電流范圍為0～5 000A，精度為±0.5%。

諧波測(cè)試點(diǎn)位置：干熄焦配電室10kV開(kāi)關(guān)柜。

2011年3 月1日8∶00起變壓器帶載運(yùn)行，至10∶00變壓器二次側(cè)所帶負(fù)載全部開(kāi)啟，隨后在干熄焦配電室做參數(shù)粗調(diào)；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，于下午進(jìn)行參數(shù)細(xì)調(diào)。測(cè)試以及數(shù)據(jù)采集工作于3月2日10∶00全部完成。

測(cè)試儀器：美國(guó)Fluke公司Fluke 43B電能質(zhì)量分析儀，電壓測(cè)量范圍為5～600V，電流范圍為0～5 000A，精度為±0.5%。

測(cè)試數(shù)據(jù)分析：將諧波測(cè)試點(diǎn)1和測(cè)試點(diǎn)3數(shù)據(jù)與公用電網(wǎng)諧波電流極限值（GB／T 14549）（見(jiàn)表1）比較后可知諧波皆不超標(biāo)，表2為測(cè)試點(diǎn)3的電流電壓測(cè)試數(shù)據(jù)，與表1比較后可知，5、7、11、13次的諧波皆嚴(yán)重超標(biāo)，需進(jìn)行治理。

表1 公用電網(wǎng)諧波電流極限值（GB／T 14549）［3］

表2 測(cè)試點(diǎn)3電流電壓測(cè)試數(shù)據(jù)（TA變比：150／5）

最終結(jié)論：由測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，電壓波動(dòng)較大，5.96～6.16kV 波動(dòng)，且電流畸變率很高，在整個(gè)提升機(jī)的工作過(guò)程中，畸變率最高曾達(dá)到66.3%，故急需對(duì)提升機(jī)的供電支路進(jìn)行諧波治理。從而也驗(yàn)證了“諧波是導(dǎo)致頻繁跳閘的根源”的初診結(jié)論。

3 應(yīng)對(duì)措施及效果

3.1 常用的消諧措施及選擇分析

本質(zhì)上任何變頻器都或多或少會(huì)產(chǎn)生輸入諧波電流，只是程度不同而已，故常說(shuō)“用好變頻器治理諧波是關(guān)鍵”。

（1）減少回路的阻抗

諧波產(chǎn)生的根本原因是使用了非線性負(fù)載。由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)畸變電壓降，合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上的其他負(fù)載，引起諧波電流在其上流過(guò)；因此，減少諧波危害可通過(guò)加大電纜截面積、減少回路的阻抗方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)多采用提高變壓器容量、增大電纜截面積、加大中性線電纜截面、選用整定值較大的漏電保護(hù)斷路器及熔斷器等保護(hù)元件等辦法，但這些方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護(hù)特性與功能，同時(shí)還加大了投資，增加了供電系統(tǒng)的隱患。

（2）增加變頻器供電電源內(nèi)阻抗

通常電源設(shè)備的內(nèi)阻抗可以起到緩沖變頻器直流濾波電容無(wú)功功率的作用。這種內(nèi)阻抗是變壓器的短路阻抗，當(dāng)電源容量相對(duì)于變頻器容量越小時(shí)，內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，而諧波含量越?。划?dāng)電源容量相對(duì)于變頻器容量越大時(shí)，內(nèi)阻抗值相對(duì)越大，諧波含量就越大；因此，選擇變頻器供電電源變壓器時(shí)，最好選擇短路阻抗大的變壓器。但是，剛投運(yùn)即更換變壓器，顯然不合適［4］。

（3）安裝電抗器

安裝電抗器實(shí)際上是從外部增加變頻器供電電源的內(nèi)阻抗。在變頻器的交流側(cè)安裝交流電抗器或在變頻器的直流側(cè)安裝直流電抗器，或同時(shí)安裝，可以抑制諧波電流。當(dāng)電抗器運(yùn)行時(shí)，由于周圍存在較強(qiáng)的外漏磁場(chǎng)；因此，需安裝在獨(dú)立的空間，但干熄焦工程現(xiàn)場(chǎng)已無(wú)合適的安裝場(chǎng)地，并且若采用電抗器則整個(gè)配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將進(jìn)行大規(guī)模變更，顯然也行不通。

（4）換用“綠色”變頻器

采用產(chǎn)生諧波電流小的變頻器。變頻器本身不對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染，即可謂“綠色”電力電子產(chǎn)品，這從本質(zhì)上解決了諧波污染問(wèn)題。但新變頻器剛運(yùn)行就更換，顯然也不現(xiàn)實(shí)。

（5）加裝有源濾波器［5］

利用有源濾波器檢測(cè)變頻器諧波電流的幅值和相位，并產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流幅值相同且相位相反的電流，通到變頻器中，從而可以非常有效地吸收諧波電流。有源濾波器占用空間小且無(wú)特殊要求，安裝、調(diào)試時(shí)間短，比較可行。

3.2 諧波治理方案實(shí)施及效果

3.2.1 方案目標(biāo)

在任意運(yùn)行方式和供電情況下，吸收系統(tǒng)諧波電流，使配電系統(tǒng)的諧波電流含量與電壓畸變率符合相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或電力系統(tǒng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)諧波電流抑制，消除對(duì)控制系統(tǒng)的高頻電磁干擾，確保系統(tǒng)安全正常運(yùn)行。

3.2.2 方案實(shí)施

為解決諧波對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)造成的影響，考慮到方案實(shí)施的便利性及成本投入，經(jīng)綜合分析及充分論證，最終確定在提升機(jī)變壓器低壓側(cè)進(jìn)行諧波治理的方案。

由于測(cè)試的提升機(jī)變壓器二次諧波電流高達(dá)207.6A，考慮到裕量，為達(dá)到最好濾波效果，經(jīng)計(jì)算和論證，最終決定采用2臺(tái)150A、型號(hào)為SPA 4－150A／0.4的有源電力濾波器，其主接線簡(jiǎn)圖如圖2所示。當(dāng)有源電力濾波器因故障退出運(yùn)行時(shí)，不應(yīng)影響其他設(shè)備的運(yùn)行，任何一種運(yùn)行方式不會(huì)引起電力系統(tǒng)的諧振。

圖2 有源電力濾波器主接線簡(jiǎn)圖

投入濾波器后，電流波形從治理前的非正弦波變?yōu)槠交恼也āＶ卫砬昂蟮墓r情況如圖3和圖4所示，由圖3可見(jiàn)，投入濾波器前相線電流畸變率為41.7%，投入后相線電流畸變率降低為3.7%；相線上的5次諧波由134.8A降為10.0A；7次諧波由47.7A降為3.2A；11次諧波由24.4A降為3.1A；13次諧波由10.7A降為1.6A。由此可以直觀地看出有源電力濾波器的投入很大程度上改善了電能質(zhì)量。

該濾波裝置運(yùn)行至今，運(yùn)行穩(wěn)定，滿足使用要求。經(jīng)過(guò)治理后，諧波電流和電流畸變率均明顯降低，從而有效地保護(hù)了設(shè)備的使用安全，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，避免了變頻器的頻繁跳閘，保證了整個(gè)生產(chǎn)線的設(shè)備順行。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖3 電流波形圖

對(duì)變頻器跳閘故障的及時(shí)處理，一方面確保了整個(gè)生產(chǎn)線的順利運(yùn)行，為生產(chǎn)線的維護(hù)管理提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，積累了有價(jià)值的技術(shù)資料；另一方面增強(qiáng)了對(duì)諧波危害性的認(rèn)識(shí)；同時(shí)，也為今后相關(guān)工程的設(shè)備選型提供了可吸取的教訓(xùn)。今后在設(shè)備的選型、保護(hù)配置和計(jì)量裝置的使用上，應(yīng)充分考慮諧波對(duì)電力設(shè)施的影響，選用先進(jìn)的設(shè)備，并考慮設(shè)備間的相關(guān)性。

［1］李文森.工業(yè)變頻器原理及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［2］李中華.游梁式抽油機(jī)井應(yīng)用變頻器問(wèn)題淺析［J］.內(nèi)江科技，2011，32（2）：114.

［3］GBT 14549—1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波［S］.北京：國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局，1993.

［4］馬志峰.變頻器的諧波危害及對(duì)策［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007，26（9）：119－120.

［5］金建新.變頻器的諧波危害及其治理措施［J］.變頻器世界，2010，（8）：111－113.