淺析諧波產(chǎn)生的原因及抑制措施

付曉春

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司武山銅礦，江西 九江 332204)

1 引言

在電力系統(tǒng)中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài)，為用戶(hù)提供高效使用電能的手段。但是，工礦企業(yè)的電力設(shè)備為交直流傳動(dòng)設(shè)備、主井提升機(jī)和一些沖擊性負(fù)荷，所以在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的高次諧波，功率因數(shù)下降，并且造成電壓波動(dòng)，降低系統(tǒng)的電能質(zhì)量。電力設(shè)備的電能損耗增加，對(duì)電力設(shè)備還會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，研究和分析諧波具有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 諧波產(chǎn)生的原因

在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負(fù)載所致。它們向公用電網(wǎng)流入諧波電流，在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓，在電網(wǎng)阻抗下產(chǎn)生諧波壓降疊加到電網(wǎng)基波上，引起電網(wǎng)電壓波形畸變[1]。

3 諧波在電力系統(tǒng)中的危害

3.1 對(duì)供電線(xiàn)路的影響

在電力系統(tǒng)中，中性線(xiàn)電流都很小，線(xiàn)徑一般都很細(xì)，當(dāng)大量的諧波電流注入中性線(xiàn)時(shí)，會(huì)在中性線(xiàn)上產(chǎn)生大量的熱量，不僅會(huì)破壞線(xiàn)的絕緣，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成線(xiàn)路短路，甚至引起火災(zāi)。供電線(xiàn)路由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，線(xiàn)電阻隨著頻率的增加而增加，并造成線(xiàn)路中很大的電能浪費(fèi)[2]。

3.2 對(duì)電力設(shè)備的影響

3.2.1 對(duì)電力變壓器的影響

諧波電流通過(guò)變壓器時(shí)，變壓器的鐵芯損耗明顯增加，變壓器會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱，運(yùn)行效率降低，變壓器的壽命將會(huì)縮短。除此之外，諧波還會(huì)導(dǎo)致變壓器噪聲增大[3]。

3.2.2 對(duì)電力電容器的影響

電力系統(tǒng)存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過(guò)電容器的電流增加得更大，使電容器損耗增加。如果諧波含量較高，超出電容器允許條件，使電容器異常發(fā)熱，在電場(chǎng)和溫度的作用下，引起電容器過(guò)負(fù)荷甚至爆炸。

3.3 對(duì)用電設(shè)備的影響

例:諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響。主要使電動(dòng)機(jī)的附加損耗增加，效率降低，產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸震動(dòng)的問(wèn)題。尤其是負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，形成與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，對(duì)電動(dòng)機(jī)起制動(dòng)作用，從而減少電動(dòng)機(jī)的出力[4]。

3.4 對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響

在工礦企業(yè)的電力系統(tǒng)中，電力線(xiàn)路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器予以檢測(cè)保護(hù)，使得在故障情況下保證線(xiàn)路與設(shè)備的安全。諧波常會(huì)引起繼電保護(hù)以及自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作或拒動(dòng)，造成整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性降低，容易引起系統(tǒng)故障或使系統(tǒng)故障擴(kuò)大。

4 實(shí)例分析

近年來(lái)，某井下礦山隨著企業(yè)生產(chǎn)能力不斷提高，對(duì)于供電系統(tǒng)的要求也隨之增加。而供電系統(tǒng)的安全性和可靠性從很大程度上直接關(guān)系到礦山的安全生產(chǎn)以及員工的生命安危。生產(chǎn)工藝改造后，大功率硅整流設(shè)備、變頻器、異步電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的投運(yùn)，電力負(fù)荷急劇增大，產(chǎn)生大量的12K±1次諧波(尤其是5次、7次、11次等奇次波)并入系統(tǒng)。并聯(lián)電力電容器對(duì)諧波進(jìn)一步的放大作用，導(dǎo)致電源波形嚴(yán)重畸變，并發(fā)系統(tǒng)內(nèi)電壓的波動(dòng)及短時(shí)閃變。變電站供電系統(tǒng)中一直未裝設(shè)6kV電網(wǎng)濾波裝置。使電力系統(tǒng)的功率因數(shù)從0.97降至0.87左右。功率因數(shù)低于供電公司考核標(biāo)準(zhǔn)0.9，力率電費(fèi)的征收將給企業(yè)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因電網(wǎng)諧波的存在，給變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及電能計(jì)量產(chǎn)生負(fù)面的影響，同時(shí)也造成電能損耗的增大。針對(duì)電網(wǎng)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，先后邀請(qǐng)有關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試表明電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量指標(biāo)總體上已超出了國(guó)標(biāo)要求，電網(wǎng)電壓總諧波畸變率達(dá)到6.62%，超出國(guó)標(biāo)4%的限值范圍[5]。

4.1 測(cè)算系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)娜萘?/h3>

補(bǔ)償容量方案一:電網(wǎng)的平均負(fù)荷 P=13000kW，補(bǔ)償前后的功率因數(shù)

cos∮1=0.89，cos∮2=0.92。需要配置補(bǔ)償?shù)娜萘縌c為:

考慮到原有的無(wú)功補(bǔ)償裝置的電力電容性能下降，容量變小，該方案不能達(dá)到補(bǔ)償效果。

補(bǔ)償容量方案二:補(bǔ)償前后的功率因數(shù)cos∮1=0.88，cos∮2=0.93。需要配置補(bǔ)償?shù)娜萘?Qc 為:

4.2 無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置的選型

某井下礦山電網(wǎng)最大負(fù)荷15000kW，平均負(fù)荷13000kW。無(wú)功功率補(bǔ)償，必須補(bǔ)償?shù)角〉胶锰幉判?，補(bǔ)償不夠，達(dá)不到要求要被罰款。補(bǔ)償過(guò)頭了，也會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)降低，如果低到標(biāo)準(zhǔn)之下，還是要被罰款。因?yàn)檫^(guò)補(bǔ)償，實(shí)質(zhì)上是容性無(wú)功功率過(guò)大了，既然是無(wú)功功率過(guò)大，無(wú)論容性還是感性，都是無(wú)功功率，都導(dǎo)致功率因數(shù)降低。若過(guò)補(bǔ)償會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)路的電壓升高，影響設(shè)備正常工作。故考慮到經(jīng)濟(jì)性、安全性要求，選定方案二，濾波裝置總?cè)萘繛?630kvar，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備選型[6]。6kV 母線(xiàn)濾波裝置FC參數(shù)配置(見(jiàn)表1)。

表1 FC參數(shù)配置

4.3 方案實(shí)施

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果及主井提升機(jī)的運(yùn)行方式，在110kV變電所6kV母線(xiàn)側(cè)裝設(shè)FC無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置，根據(jù)諧波源的性質(zhì)，在裝置中設(shè)有5次、11次加高通兩個(gè)濾波支路。整套濾波裝置利用6kV配電室的兩個(gè)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜，裝置的保護(hù)在開(kāi)關(guān)柜上，利用原有的電容器再串聯(lián)電抗器后做成11次帶高通濾波支路，另外在重新設(shè)計(jì)一個(gè)5次濾波支路，這樣裝置安裝后不僅可以補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功，而且在諧波頻率下可以濾除高次諧波，滿(mǎn)足系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。

4.4 效果檢查

4.4.1 功率因數(shù)的效果

供電公司功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)考核標(biāo)準(zhǔn)為0.90。FC無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置投運(yùn)后，月平均功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。

4.4.2 電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境得到改善

無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置投運(yùn)后，電壓總諧波畸變率為0.5%，達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》[5]中對(duì)諧波電壓限值的范圍，減少了諧波帶來(lái)的干擾，提高供電質(zhì)量，提高主井提升機(jī)等設(shè)備的安全可靠性，提高經(jīng)濟(jì)效益，減少由于人為判斷而產(chǎn)生的安全事故，系統(tǒng)運(yùn)行電壓進(jìn)一步平穩(wěn)，滿(mǎn)足設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的需求。

4.5 效益評(píng)估

4.5.1 改造費(fèi)用

該項(xiàng)目技術(shù)改造總投入費(fèi)用52萬(wàn)元。

4.5.2 經(jīng)濟(jì)效益

(1)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)后獲得效益

110kV變電站主變壓器容量為20000kVA，年供電量9966萬(wàn)kW·h。動(dòng)力電價(jià)0.60308元/kW·h，基本電價(jià)28元/kVA·月，力調(diào)系數(shù)0.75%。無(wú)功補(bǔ)償及濾波裝置投運(yùn)后，功率因數(shù)達(dá)0.95。供電公司對(duì)企業(yè)年免收電費(fèi)獎(jiǎng)勵(lì):

(9966×0.60308+2×28×12)×0.75/100=50.12 萬(wàn)元

(2)減少損耗效益

改造前，110kV變電站主變壓器年損耗235.8萬(wàn)kW·h。改造后，主變壓器年損耗166.8萬(wàn)kW·h。

減少有功損耗:235.8－166.8=69萬(wàn)kW·h

年節(jié)約電費(fèi):69 ×0.60308=41.61萬(wàn)元

因此，改造后年效益為:50.12+41.61=91.73萬(wàn)元，7個(gè)月即可回收投資。

5 結(jié)束語(yǔ)

工礦企業(yè)電力系統(tǒng)普遍存在諧波污染的現(xiàn)象，綜合動(dòng)態(tài)的諧波治理措施與電網(wǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題，是企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。針對(duì)這一課題，在使用非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀況加以分析，采取有效抑制諧波的措施，電力系統(tǒng)優(yōu)化后不僅節(jié)電效果顯著，同時(shí)也提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，為電能質(zhì)量的供應(yīng)提供了保障。

[1]李明.高次諧波產(chǎn)生的原因、危害和抑制的措施[J].甘肅電力技術(shù).2006，12－13.

[2]劉海軍.諧波對(duì)高壓輸電線(xiàn)路的影響及其解決措施[J].城市建設(shè)理論研究，2011(10):1－2.

[3]李珞新.用電管理[M].中國(guó)電力出版社，2007:12－15.

[4]王曉文.供用電系統(tǒng)[M].中國(guó)電力出版社，2005:76－85.

[5]GB/T14549，電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波[S].1993.

[6]Q/GDW，電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則[S].2008.