煙草行業(yè)電能質(zhì)量問(wèn)題的監(jiān)測(cè)與改善

1.引言

隨著現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展，煙草行業(yè)聯(lián)合工房?jī)?nèi)的用電與供電設(shè)備設(shè)施中非線性負(fù)荷（計(jì)算機(jī)、空調(diào)、變頻、UPS、電子器件等）比重訊速增大，包括電能諧波、電壓波動(dòng)和電磁干擾等方面的供電質(zhì)量正迅速惡化，對(duì)聯(lián)合工房電氣安全，運(yùn)行等帶來(lái)了新的問(wèn)題。常規(guī)的電能質(zhì)量檢測(cè)的方法主要是使用便攜式電能質(zhì)量分析儀，采用定點(diǎn)、定時(shí)的方式檢測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量指標(biāo)的背景狀況和干擾源設(shè)備（如非線性設(shè)備）接入電網(wǎng)或干擾源容量變化對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，這種常規(guī)檢測(cè)往往存在一些誤區(qū)和盲點(diǎn)，如需要據(jù)測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選取認(rèn)為非線性負(fù)載容量大、沖擊負(fù)荷、負(fù)荷波動(dòng)快、系統(tǒng)故障頻繁等用電回路進(jìn)行監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)，因此建立一個(gè)實(shí)時(shí)在線的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)行全面的運(yùn)行監(jiān)測(cè)及消除諧波的方法尤為重要。

2.電力系統(tǒng)電能質(zhì)量及評(píng)價(jià)體系

衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)有電壓、頻率和波形。導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，即產(chǎn)生諧波，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、波形畸變（諧波）、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。如圖2-1所示，為部分電能質(zhì)量的問(wèn)題的圖形化表現(xiàn)形式。

3.諧波的主要危害

當(dāng)諧波電流、電壓超出一定限制標(biāo)準(zhǔn)(中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549－93))和IEC 1000—3—4、IEEE—519——1992國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，主要有：

1)使原設(shè)計(jì)的電路將不能滿足現(xiàn)有諧波的附加發(fā)熱要求，將引起電路導(dǎo)體的導(dǎo)電能力下降；2)增大電能消耗；3)開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷能力下降；4)電動(dòng)機(jī)、變壓器、電纜異常發(fā)熱；5)一般用電設(shè)備故障率迅速增加；6)專用電子設(shè)備不能正常工作，比如可控硅(依賴過(guò)流點(diǎn)進(jìn)行控制導(dǎo)通角同步控制)工作異常、電氣設(shè)備控制系統(tǒng)失靈或損毀，通訊網(wǎng)絡(luò)無(wú)連接；7)引起配電設(shè)備異常震動(dòng)和噪音，嚴(yán)重時(shí)使電氣設(shè)備無(wú)法正常地運(yùn)行，產(chǎn)生電磁干擾；8)諧波使電容器等電器設(shè)備過(guò)流、過(guò)熱、甚至爆裂或著火引起火災(zāi)。

一般來(lái)講，諧波對(duì)容量相對(duì)特別大的電力系統(tǒng)影響不很明顯，而對(duì)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，給周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)危害。諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的危害嚴(yán)重性主要表現(xiàn)在：

(1)諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加諧波損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)；由于中性線正常時(shí)流過(guò)電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波電流流過(guò)中性線時(shí)，會(huì)使導(dǎo)線過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短、損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

(2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)發(fā)電機(jī)的影響除產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)和噪聲和過(guò)電壓；對(duì)斷路器，當(dāng)電流波形過(guò)零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成電壓過(guò)高，這將使開(kāi)斷困難，并且延長(zhǎng)故障電流的切除時(shí)間。

(3)諧波使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器其電路比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會(huì)產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。

(4)諧波引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

(5)諧波將使繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差；諧波對(duì)其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對(duì)附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作；影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設(shè)備壽命縮短，通訊設(shè)備工況變壞等。

4.卷煙廠各個(gè)車間供電系統(tǒng)的諧波來(lái)源

卷煙廠各個(gè)車間諧波的主要設(shè)備來(lái)源。包括照明、變頻設(shè)備、空調(diào)制冷系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)和軟啟動(dòng)器等，具體表現(xiàn)形式如下：

(1)照明：照明配電是聯(lián)合工房電氣設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。其中燈具幾乎都是諧波源，不同種類和型式節(jié)能燈的主要諧波電流的相位也有所區(qū)別。

熒光燈：特征諧波電流全為奇次諧波。線繞鎮(zhèn)流器的電流含有率3次諧波較高，可達(dá)8～10%。

高壓氣體放電燈：諧波特征是主要產(chǎn)生3、5、7次諧波，其量隨燈具的容量而幅度增大。

調(diào)光白熾燈：調(diào)光白熾燈的電力調(diào)節(jié)電路是通過(guò)用可控硅切除正弦電流的一部分來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載電流的大小。其特征諧波電流全部為奇次諧波，不同控制角α的諧波電流含量不同，一般地，α越大，諧波電流含量越大。

(2)變頻設(shè)備：聯(lián)合工房卷包、切絲、除塵等生產(chǎn)線應(yīng)用了大量電動(dòng)機(jī)、變速驅(qū)動(dòng)裝置等等，可產(chǎn)生大量5次，7次為主的諧波，是工廠建筑內(nèi)非常重要的一種諧波源。

(3)空調(diào)制冷系統(tǒng)：在聯(lián)合工房需安裝大容量的空調(diào)制冷系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)，水泵等，容量超過(guò)數(shù)十千瓦，空調(diào)機(jī)諧波電流大小依工作方式而變，制冷時(shí)為20～27%，制熱時(shí)為22～34%，諧波分布為2～15次，可見(jiàn)，無(wú)論是制冷還是制熱，THDi都不小。變頻空調(diào)的諧波含量與分布更大，產(chǎn)生以5、7次諧波最為顯著。空調(diào)制冷系統(tǒng)的容量越大，諧波電流越大。

(4)發(fā)電機(jī)和軟啟動(dòng)器：一般情況下采用的柴油發(fā)電機(jī)組可產(chǎn)生很嚴(yán)重諧波。聯(lián)合工房用電量大，為了減小變壓器容量，降低各電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，設(shè)計(jì)時(shí)選用多臺(tái)晶閘管軟啟動(dòng)器。雖然起動(dòng)電流小，變壓器容量減小了，可是所產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電源污染很嚴(yán)重。軟啟動(dòng)器晶閘管的整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸入電流中含有很高的諧波分量，輸入電流的5次諧波可達(dá)20%，7次諧波可達(dá)12%，如實(shí)際測(cè)量中一臺(tái)132KW電動(dòng)機(jī)，200KVA軟起動(dòng)器的高次諧波明顯表現(xiàn)出含有5次、7次等高次諧波分量，而且非理論上的三次諧波分量也很大。

以上可以看出，對(duì)于煙草行業(yè)，改善電能質(zhì)量以及提高能源設(shè)施的效率，保障電網(wǎng)及能源設(shè)施安全可靠運(yùn)行，十分迫切。

5.卷煙廠諧波監(jiān)測(cè)及治理方案

針對(duì)對(duì)煙草行業(yè)的特點(diǎn)和需求，從電能質(zhì)量與負(fù)荷能效兩個(gè)方面，進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和管控技術(shù)，達(dá)到改善電能質(zhì)量的目的。

表2-1 電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)摘要

表2-2 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

續(xù)表2-2

(1)諧波監(jiān)測(cè)

通過(guò)采用高級(jí)電能質(zhì)量管理裝置，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和管理煙草行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的各個(gè)工序的電能質(zhì)量與負(fù)荷能效情況。具有功能如下：

1)I、U、P、Q、SPF、KWH、KVAR等全電量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；2)最值與均值測(cè)量記錄；3)多時(shí)段分時(shí)電能計(jì)量；4)0～127次的電壓及電流諧波測(cè)量(包括THDI、THDU，HDI、HDU等)；5)同次諧波幅值與電壓和諧波電流之間相位差、三相電壓(流)不平衡度、電壓或電流負(fù)序極值及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻、三相電壓的短時(shí)間及長(zhǎng)時(shí)間閃變；6)參數(shù)波形記錄與告警功能、電壓暫升、暫降、短時(shí)電壓中斷監(jiān)測(cè)與記錄電壓瞬態(tài)監(jiān)測(cè)與記錄；SOE事件記錄等多種功能。

(2)諧波治理措施

通過(guò)采用國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)的產(chǎn)品(美國(guó)原產(chǎn))RESINE有源諧波過(guò)濾器與其他無(wú)源濾波器設(shè)備相比，不僅具有能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無(wú)功，濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等影響的優(yōu)勢(shì)，適用于單相、三相1KV以下配電系統(tǒng)，將反向諧波電流注入配電系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)配電系統(tǒng)中2～51次諧波完全消除，響應(yīng)時(shí)間＜1ms。RESINE有源濾波器在HAR>10的動(dòng)態(tài)電能諧波濾除能力之外具備動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)能力，且無(wú)功調(diào)節(jié)能力可工作于容性與感性負(fù)載。

6.應(yīng)用案例

(1)需求分析

由于此卷煙廠采用的柴油發(fā)電機(jī)組，是諧波主要來(lái)源之一，且發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行參數(shù)無(wú)實(shí)時(shí)記錄，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，無(wú)法準(zhǔn)確查詢到異常原因，也無(wú)法找到最優(yōu)化的運(yùn)行模式等需求，所以需要通過(guò)監(jiān)測(cè)、分析及電能質(zhì)量治理手段進(jìn)行諧波治理。

此卷煙廠，是針對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析與電能質(zhì)量治理方法，主要采用高級(jí)電能質(zhì)量管理裝置以及有源濾波器進(jìn)行諧波治理。

(2)解決方案

通過(guò)高級(jí)電能質(zhì)量管理裝置監(jiān)測(cè)和分析波形，如圖6-1、6-2所示。

通過(guò)有源濾波器進(jìn)行諧波治理，如圖6-3所示。

(3)結(jié)論

通過(guò)上面的測(cè)試報(bào)告，可以看出，通過(guò)此裝置，得到了明顯的電能質(zhì)量改善效果。

圖2-1 部分電能質(zhì)量問(wèn)題的表現(xiàn)形式

圖6-1 高級(jí)電能質(zhì)量管理裝置網(wǎng)頁(yè)瀏覽界面

圖6-2 高級(jí)電能質(zhì)量管理裝置諧波監(jiān)測(cè)界面

圖6-3 濾波器投入前、后電流電壓波形圖

1)電流波形明顯改善，使用濾波器后電流波形呈正弦波形態(tài)；2)功率因數(shù)提高較多，由0.62(平均值)提高到0.93(平均值)；從而使電流有效值降低，提高了設(shè)備的使用效率；3)電壓畸變狀況得到改善，總電壓諧波畸變率THDV從7.2%降低到5%左右；4)電流畸變狀況得到明顯改善，總電流諧波畸變率THDI從40%左右降低到10%以下；5)濾波器調(diào)試后運(yùn)行正常，且濾波效果明顯，符合設(shè)計(jì)要求。

7.效益價(jià)值

通過(guò)高級(jí)電能管理裝置對(duì)能源設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)和分析，以及配合使用的有源濾波器，消除諧波，實(shí)現(xiàn)了改善電壓質(zhì)量及提高設(shè)備能效的目的，從而保障了電網(wǎng)與能源設(shè)施的安全性和可靠性，并降低了運(yùn)營(yíng)成本。

8.結(jié)語(yǔ)

節(jié)能增效，已成為各行各業(yè)不可忽視的一項(xiàng)工作。實(shí)時(shí)證明，采用高級(jí)電能質(zhì)量管理裝置，并配合使用有源濾波器，改善了電能質(zhì)量，提高了能源負(fù)荷的利用率，不僅帶來(lái)了節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，還可以供石化、冶金、半導(dǎo)體、電訊、汽車制造、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、政府機(jī)關(guān)、金融、保險(xiǎn)等行業(yè)借鑒。

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