鋼鐵廠電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生及治理研究

李賀昌，程寶芳，蔣海牙

引言

“諧波”一詞起源于聲學(xué)，關(guān)于諧波的數(shù)學(xué)分析在18、19世紀(jì)已經(jīng)奠定了基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍然被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)諧波問題早在20世紀(jì)20年代便引起了人們的注意。到了20世紀(jì)50年代，世界各國都對電網(wǎng)諧波問題予以充分的關(guān)注?！爸C波、電磁干擾、功率因數(shù)”是目前國際上公認(rèn)的電網(wǎng)三大公害，其中諧波公害排首位。因此研究降低電力系統(tǒng)諧波的方法是十分必要的。

1　諧波的定義及國家標(biāo)準(zhǔn)及危害

國際電工標(biāo)準(zhǔn)(IEC555-2，1982)中關(guān)于諧波的定義是：“諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于1的h次分量”。對于我國使用50 Hz電源來說基波為50 Hz，5次諧波為250 Hz，以此類推。

根據(jù)國標(biāo)《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549－93）的規(guī)定，供電系統(tǒng)允許電壓畸變率如表1所示。

諧波產(chǎn)生的根本原因是用電負(fù)荷的非線性特性導(dǎo)致的，也就是說用電負(fù)荷的電壓與電流不成線性關(guān)系造成的波形呈現(xiàn)不規(guī)則的非正弦特征，通常我們就會發(fā)現(xiàn)在正弦波形出現(xiàn)大量毛刺。這種電流波形是由基波和與高次諧波組成，進(jìn)而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真。

表1　公用電網(wǎng)諧波電壓限值

目前公認(rèn)的諧波源主要有三大類：

（1）電子開關(guān)型：各種以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備，主要為變頻器以及大容量的電力晶閘管和可控開關(guān)設(shè)備等。

（2）鐵磁飽和型：各種鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性特征的鐵芯設(shè)備，如變壓器、電抗器等。

（3）電弧型：冶煉電弧爐在熔化期間，由于其三相短路加熱特征導(dǎo)致電流不規(guī)則的波動。如LF爐等設(shè)備通過石墨電極與鋼液間產(chǎn)生電弧作為熱源。

諧波產(chǎn)生的危害主要有：危害設(shè)備穩(wěn)定運行如電容器對高次諧波呈現(xiàn)低阻抗特性，諧波電流導(dǎo)致電容器長期工作在過載情況。諧波會使電動機(jī)的損耗增多、溫升加劇。諧波會引發(fā)保護(hù)裝置受到干擾而誤動或拒動，造成可靠性降低。諧波會導(dǎo)致測量和計量設(shè)備產(chǎn)生誤差。精密、精細(xì)加工工藝流程會因諧波問題而無法正常生產(chǎn)。

2　鋼鐵廠電力系統(tǒng)諧波及治理情況

目前治理諧波的方法主要有兩種：（1）采用無源濾波器PPF(Passive Power Filter）或稱為LC濾波器。（2）采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)。有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，可克服LC濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制方法缺點。其缺點是造價太高，受硬件限制，在大容量場合無法使用，有源濾波容量單套不超過100 kVA，目前最高應(yīng)用電網(wǎng)電壓不超過690 V。以下就某鋼鐵熱軋生產(chǎn)線的諧波治理情況進(jìn)行分析。

某110 kV變電站所帶熱軋生產(chǎn)線，35 kV系統(tǒng)主要為主傳動供電，其主傳動采用交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中含有大量的變頻裝置及大量大功率的功率元件，在實際生產(chǎn)過程中多次發(fā)生主傳動元件（IGCT）燒毀、輔傳動在制動回饋是整流單元報警等一系列故障，影響了正常生產(chǎn)。供電系統(tǒng)運行方式如圖1所示，主要對1#主變和3#主變中壓35 kV和低壓10 kV側(cè)進(jìn)行諧波測試。

圖1　供電運行方式測試點示意圖

測試數(shù)據(jù)2～25次諧波含量均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，其中35 kVⅠ段1.75%，35 kVⅢ段為1.93%，國家標(biāo)準(zhǔn)為3%（國家標(biāo)準(zhǔn)僅要求測量25次以內(nèi)的諧波），但是35 kVⅠ段高次諧波35、37、47、49次諧波含量偏高，其中47次諧波超標(biāo)（額定2.4%，實際2.402%）。具體如圖2所示。

3　鋼鐵廠電力系統(tǒng)諧波治理情況

圖2　某35 kV變電站諧波電壓情況

根據(jù)35 kV系統(tǒng)高次諧波超標(biāo)的情況，為了降低35 kV高次諧波含量使總諧波含量降低至國標(biāo)允許范圍內(nèi)，最終確定在35 kV系統(tǒng)加裝一套高次諧波吸收裝置同時考慮投入諧波吸收裝置后避免無功返送的情況，確定在35 kV系統(tǒng)投入固定式補償電容器（7.2 Mvar）以消除高次諧波、同時并聯(lián)5 Mvar的并聯(lián)電抗器，避免35 kV系統(tǒng)無功返送。在投入濾波裝置后該生產(chǎn)線的運行情況較之前明顯好轉(zhuǎn)，功率元件燒毀現(xiàn)象明顯減少，高次諧波含量明顯降低，電壓波形顯著改善。諧波治理方案主接線圖如圖3所示。電壓波形改善前后如圖4、5所示。

圖3　諧波治理方案一次系統(tǒng)圖

圖4　改善前35 kV母線電壓波形

圖5　改善后35 kV母線電壓波形

4　結(jié)論

隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，大量整流、逆變及大功率元件的應(yīng)用，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量普遍反映出越來越不能滿足用電設(shè)備的正常生產(chǎn)的需要。為確保電力系統(tǒng)電能質(zhì)量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，確保各類電力設(shè)備設(shè)施穩(wěn)定運行，需要系統(tǒng)地考慮諧波的治理問題。

通過上述分析，對于軋線上整流逆變裝置偏多的情況可能會產(chǎn)生高次諧波，而且高次諧波超標(biāo)同樣會影響用電設(shè)備的穩(wěn)定運行水平，通過增設(shè)高通濾波器，能夠減少和抑制高次諧波的危害，提高工藝用電設(shè)備的穩(wěn)定運行水平。建議從以下方面加強(qiáng)電力系統(tǒng)的諧波管理，并進(jìn)行治理：

（1）重視高次諧波的監(jiān)測和治理。定期對電力系統(tǒng)高次諧波進(jìn)行監(jiān)測和控制，一旦存在高次諧波超標(biāo)的情況應(yīng)視情況進(jìn)行補償。

（2）做好對用戶新建或增容諧波源等進(jìn)行合理的諧波檢測工作，建立用戶檔案，對超出諧波標(biāo)準(zhǔn)的用戶，及早采取限制措施，以減少對電網(wǎng)及對自身用電的污染。

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