紡織廠電力諧波的危害及治理

王一飛 袁佑新 周義德 邱榕鑫 應(yīng) 杰

(1.武漢理工大學(xué),湖北武漢，430070；2.中原工學(xué)院，河南鄭州，450007；3.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，吉林長(zhǎng)春，130002； 4.南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司，江蘇南京，213000)

隨著紡織設(shè)備向高速化、智能化、自動(dòng)化發(fā)展，紡織主機(jī)設(shè)備采用變頻器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的場(chǎng)所越來越多，變頻器在對(duì)紡織設(shè)備進(jìn)行工藝調(diào)速的同時(shí)，在逆變過程中也會(huì)產(chǎn)生諧波。諧波對(duì)電力拖動(dòng)設(shè)備、供電系統(tǒng)的安全性、繼電保護(hù)等是有害的,并且?guī)砹祟~外的電力損耗。紡織車間使用變頻器等非線性負(fù)載設(shè)備越多，則產(chǎn)生的諧波就越嚴(yán)重，各設(shè)備產(chǎn)生的諧波相互疊加，形成與基波頻率成整數(shù)倍的高次諧波。首先，高次諧波通過電力設(shè)備在工作中向車間供電系統(tǒng)反饋高次諧波，導(dǎo)致車間供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電能質(zhì)量變壞甚至惡化；其次，高次諧波在車間供電系統(tǒng)與設(shè)備之間以及設(shè)備與設(shè)備之間穿梭，造成設(shè)備(電機(jī)、變壓器、電容器、電纜等)額外發(fā)熱、振動(dòng)，使用效率降低，額外損耗電能。紡織廠屬于多機(jī)臺(tái)、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作車間，機(jī)臺(tái)產(chǎn)生諧波后通過多次疊加就越嚴(yán)重，所以紡織廠諧波治理是保證用戶電網(wǎng)電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50481—2009《棉紡織工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》針對(duì)紡織企業(yè)的實(shí)際情況，對(duì)紡織車間諧波治理提出了專門要求，其中第8.6.2條規(guī)定:紡織車間諧波治理宜根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際情況和電力部門的要求采取治理措施，采用無源或有源濾波器以及其他新型諧波抑制與治理的裝置[1]。由于紡織主機(jī)設(shè)備近幾年才大量應(yīng)用變頻器調(diào)速，大多數(shù)企業(yè)對(duì)諧波的產(chǎn)生、危害性認(rèn)識(shí)不足，治理范圍和效果還很有限。本文針對(duì)紡織廠諧波的產(chǎn)生及危害情況進(jìn)行分析,并根據(jù)同類型設(shè)備的諧波治理經(jīng)驗(yàn)，提出紡織廠諧波有效治理的技術(shù)方案及措施，以提高紡織車間電能的有效利用率。在保證電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，提高電能質(zhì)量，綜合節(jié)約能源。

1 紡織車間諧波的危害

紡織車間諧波的主要危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，電力諧波對(duì)電機(jī)的危害。使電機(jī)產(chǎn)生額外的鐵損與銅損，影響電機(jī)的機(jī)械效率，使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定，增加電機(jī)額外的電力損耗；使電機(jī)轉(zhuǎn)子造成局部明顯的發(fā)熱，縮短其使用壽命或被迫降容運(yùn)行。第二，電力諧波對(duì)供電系統(tǒng)的危害。會(huì)使供電系統(tǒng)斷路器的開斷能力降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，產(chǎn)生誤動(dòng)作，造成跳閘故障；使控制系統(tǒng)失靈，運(yùn)行不穩(wěn)定；降低用電設(shè)備的有效容量和效率；降低系統(tǒng)功率因數(shù)，增加電能損失，增加電力設(shè)施負(fù)荷。第三，電力諧波對(duì)電容器的危害。補(bǔ)償電容器會(huì)因?yàn)槲罩C波電流，引發(fā)過載發(fā)熱，降低壽命；使電壓升高過載、使電容器過電壓、過電流、熔斷器熔斷；使電容器柜無法投入、無功無法補(bǔ)償；嚴(yán)重時(shí)引起諧波諧振，加速電容器老化和損壞，甚至產(chǎn)生火災(zāi)。第四，電力諧波對(duì)變壓器的危害。對(duì)車間變壓器產(chǎn)生附加損耗，增加了銅損、磁損、鐵損,從而引起過熱，使絕緣介質(zhì)老化導(dǎo)致絕緣損壞，同時(shí)產(chǎn)生更大的噪聲，增加了額外電力損耗。第五，電力諧波對(duì)電纜的危害。在導(dǎo)體中諧波電流所產(chǎn)生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較，則諧波電流會(huì)產(chǎn)生較高的額外熱量使溫升更快。該額外溫升是由集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起的，這兩種效應(yīng)如同增加導(dǎo)體交流電阻，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗增加。電力諧波長(zhǎng)期在線路中穿梭會(huì)導(dǎo)致電力電纜老化速度加快，老化到一定程度就會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象，是生產(chǎn)安全的嚴(yán)重隱患。第六，諧波特別對(duì)設(shè)備中的電子設(shè)備、繼電保護(hù)、通訊電路等產(chǎn)生影響，造成通信干擾，使繼電保護(hù)誤動(dòng)作、計(jì)量?jī)x表不準(zhǔn)確。

2 紡織車間諧波的產(chǎn)生原因及特點(diǎn)

紡織車間的諧波主要由變頻器、照明熒光燈電子鎮(zhèn)流器、各種開關(guān)電源等非線性設(shè)備(負(fù)載)產(chǎn)生，這些設(shè)備在工作中向供電系統(tǒng)反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電能質(zhì)量變壞。由于近幾年紡織設(shè)備向高速自動(dòng)化發(fā)展，變頻器等調(diào)速設(shè)備被大量采用，產(chǎn)生的諧波現(xiàn)象也越嚴(yán)重。由于傳統(tǒng)的設(shè)備采用變頻器較少，產(chǎn)生諧波也較少，對(duì)電網(wǎng)影響不大，這也是紡織行業(yè)對(duì)諧波治理認(rèn)識(shí)不足的原因。紡織車間通常采用分車間區(qū)域變壓器供電方案，所用的主機(jī)設(shè)備功率多在3 kW～75 kW。檢測(cè)結(jié)果表明，紡織車間產(chǎn)生的諧波主要是5次諧波。根據(jù)GB 17625.6—2003《電磁兼容限值對(duì)額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》中規(guī)定，5次諧波電流占基波電流有效值的比例應(yīng)不大于10.7%[2]，但檢測(cè)有的紡織車間諧波電流已經(jīng)達(dá)到25%以上。電網(wǎng)質(zhì)量嚴(yán)重下降，造成控制元件經(jīng)常誤動(dòng)作，主機(jī)設(shè)備無故停車，生產(chǎn)效率下降，車間管理人員找不出原因。圖1和圖2分別表示某紡織企業(yè)新老車間變壓器低壓母線側(cè)基波波形和5次諧波電流數(shù)值和比例?？梢钥闯觯瑘D1老車間由于多采用傳統(tǒng)的紡織設(shè)備，變頻器用的不多，故產(chǎn)生的諧波電流量不大，只有25.9 A，占基波電流的比例為2.6%。圖2新車間近幾年采用了新型的紡織設(shè)備，變頻器用的較多，故諧波電流較大，達(dá)到139.6 A，占基波電流的比例為21.7%，大大超過國(guó)家電網(wǎng)的限定標(biāo)準(zhǔn)。

3 電力諧波的治理方法

目前現(xiàn)有的諧波抑制或治理方法主要分為有源濾波、無源濾波、動(dòng)態(tài)諧波治理等方案，各種方案的主要特點(diǎn)如下。

3.1 有源濾波方法

有源濾波器是由電力電子元件和數(shù)字信號(hào)處理等構(gòu)成的電能變換設(shè)備。其工作原理是通過有源濾波器產(chǎn)生幅值大小和相位均與母線上電壓(電流)諧波相反的諧波源，將母線上的諧波電壓(電流)抵消，補(bǔ)償后的電壓(電流)波形幾乎為純正弦波。其行為模式是主動(dòng)式電壓(電流)源輸出。工作原理示意圖見圖3。

有源濾波方法的特點(diǎn)是可濾除2次～50次電壓諧波，保障供電可靠性、降低干擾、提高電能質(zhì)量、過載能力強(qiáng)；串聯(lián)有源濾波器主要抑制電壓諧波，并聯(lián)有源濾波器主要抑制電流諧波；有源濾波方法主要是抑制諧波，不能吸收諧波電流(不能降低電流有效值)。有源濾波方法的缺點(diǎn)是處理的容量小，設(shè)備造價(jià)高，在大容量場(chǎng)合無法使用，主要應(yīng)用于信號(hào)通訊、醫(yī)療設(shè)備等用電功率較小，對(duì)諧波要求高，要求干擾因素小的領(lǐng)域[3]。

3.2 無源濾波方法

無源濾波器主要由電容器和電抗器組成串聯(lián)LC諧振電路，其諧振頻率設(shè)定為與需要濾除某主次諧波頻率相接近，對(duì)相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，使主次諧波大部分流入無源濾波器，從而起到濾波的目的。其行為模式是提供被動(dòng)式諧波電流旁通通道。工作原理示意圖見圖4。

無源濾波器能濾除高次諧波，改善電流和電壓波形，提高電能質(zhì)量，提高設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，具有適用功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠、運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)。

無源濾波方法缺點(diǎn)是LC參數(shù)無法連續(xù)調(diào)控，諧振頻率精度不高，受參數(shù)離散化影響，使諧振點(diǎn)偏移，濾波效果較差。并且過載能力差，濾波效果隨著負(fù)載的變化而變化，只能濾除某頻率范圍內(nèi)的諧波，并受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重，存在諧波放大和共振的危險(xiǎn)。主要適用于鋼鐵、石油、煤礦、建材等大容量、單機(jī)臺(tái)場(chǎng)所的諧波治理。

3.3 電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法

電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法(由武漢理工大學(xué)研究提出)具有抑制諧波電壓(電流)波形和吸收諧波電流的雙重特性，通過吸收諧波電流實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)電。電力諧波動(dòng)態(tài)治理節(jié)電裝置(武漢理工大學(xué)提供技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方案，南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司生產(chǎn))由電磁耦合能量變換器、電能變換器、基波/諧波變換器、諧波治理智能控制系統(tǒng)以及諧波、基波、無功電流檢測(cè)等部分組成[4-5]。電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法及其裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)電力諧波與無功電流、實(shí)時(shí)跟蹤電力諧波變化態(tài)勢(shì)、動(dòng)態(tài)調(diào)控電磁耦合能量和電能變換與基波/諧波變換效率；諧波智能控制算法通過諧波智能控制系統(tǒng)控制基波電流與主次諧波電流關(guān)聯(lián)度、補(bǔ)償基波無功、控制諧波電流吸收率和節(jié)電效率。該方法在動(dòng)態(tài)治理吸收諧波電流和抑制諧波電壓的同時(shí)，使變壓器二次母排交流基波電流和交流電流有效值同步降低，實(shí)現(xiàn)了諧波動(dòng)態(tài)治理及節(jié)電[6]。電力諧波動(dòng)態(tài)治理節(jié)電裝置原理示意圖見圖5。

諧波動(dòng)態(tài)治理方法及裝置，通過控制基波電流與諧波電流的特征值和關(guān)聯(lián)度，吸收諧波電流、抑制諧波電壓、補(bǔ)償基波、降低基波電流和電流有效值，實(shí)現(xiàn)諧波動(dòng)態(tài)治理智能控制及綜合節(jié)電。該方法針對(duì)性濾除主次諧波，尤其對(duì)5次、7次等諧波電流的綜合濾波效果更佳，改善電流電壓波形，提高電能質(zhì)量，治理諧波源對(duì)電網(wǎng)的污染，提高功率因數(shù)和設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，降低電耗[7]，并且性價(jià)比高，投資回收期短。

諧波動(dòng)態(tài)治理方法適合于中大容量、多機(jī)臺(tái)變頻器拖動(dòng)、非線性負(fù)荷變化影響因素較多，對(duì)諧波電流治理要求較高的場(chǎng)所。由于紡織車間屬于多機(jī)臺(tái)、大功率、長(zhǎng)時(shí)間用電設(shè)備場(chǎng)所，需要常年連續(xù)運(yùn)行，工作中又根據(jù)工藝變化需不斷進(jìn)行調(diào)速，產(chǎn)生諧波的地理位置分散、變化范圍大，負(fù)載疊加復(fù)雜，疊加形成的諧波電流大，治理難度大。需要采用實(shí)時(shí)跟蹤電力諧波變化，實(shí)時(shí)檢測(cè)電力諧波與無功電流，動(dòng)態(tài)治理諧波。因此，采用諧波動(dòng)態(tài)治理方法效果較好。

4 紡織車間諧波治理方案

由于成本的原因，紡織廠所用的變頻器多為低電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器，這種變頻器主要產(chǎn)生5次、7次電力諧波，且5次電力諧波含量最高，對(duì)供電系統(tǒng)的危害也最大[8]。根據(jù)對(duì)多家紡織廠的檢測(cè)數(shù)據(jù)得知，紡織車間粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒車間，由于采用變頻設(shè)備較多，運(yùn)行中速度調(diào)節(jié)頻繁，產(chǎn)生的電力諧波也最嚴(yán)重。紡織主機(jī)設(shè)備采用由變壓器主母線排、低壓配電柜通過車間動(dòng)力柜供電，設(shè)備產(chǎn)生的諧波會(huì)通過母線排直接影響各用電設(shè)備，造成整個(gè)電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。

對(duì)某紡織企業(yè)各配電所變壓器母線排進(jìn)行有效值電流和諧波電流檢測(cè),主要檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 車間變壓器母線排有效電流及諧波電流值

從表1可以看出，新車間由于安裝新型紡織設(shè)備，采用變頻器較多，多數(shù)回路5次諧波電流超過10.7%的標(biāo)準(zhǔn)，需要治理。根據(jù)在其他行業(yè)進(jìn)行諧波治理的經(jīng)驗(yàn)，紡織廠諧波電流超過電流有效值的15%時(shí)，諧波治理效果最佳。項(xiàng)目以新廠2-1#-101變壓器為例，采用武漢理工大學(xué)和南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司聯(lián)合生產(chǎn)的諧波動(dòng)態(tài)濾波節(jié)能裝置，針對(duì)該回路研制的DTXB型動(dòng)態(tài)諧波濾波節(jié)能裝置，安裝于車間變配電室補(bǔ)償柜前端。諧波動(dòng)態(tài)濾波節(jié)能裝置電氣接線原理圖見圖6。

設(shè)備安裝后，通過調(diào)試整定參數(shù)，投入運(yùn)行。諧波動(dòng)態(tài)濾波節(jié)能裝置投入運(yùn)行前、后測(cè)得的母線側(cè)波形和電流值分別見圖2和圖7。諧波治理前、后節(jié)電效果比較見表2。

由表2可以看出，在電力諧波動(dòng)態(tài)治理裝置投入運(yùn)行后，可使低壓母線側(cè)5次諧波電流值平均下降52.2%，低壓母線側(cè)有效電流降低8%。電流有效值的減少，就意味著電能消耗的減少，讓紡織企業(yè)購(gòu)來的電能可充分用在做有用功方面。同時(shí)由于諧波電流的減少，電網(wǎng)電能質(zhì)量明顯改善，吸收的諧波電流轉(zhuǎn)換成基波電流，使功率因數(shù)提高。設(shè)備發(fā)熱現(xiàn)象大大減輕，設(shè)備誤動(dòng)作和無故停電事故減少，電機(jī)、變壓器等設(shè)備振動(dòng)與噪聲降低，電容器發(fā)熱降低，供電安全性增加。

表2 新廠2-1#-101變壓器低壓進(jìn)線側(cè)濾波裝置投運(yùn)前后測(cè)量結(jié)果比較

5 結(jié)論

(1)紡織車間由于大量采用變頻器調(diào)速設(shè)備和照明等非線性設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生大量5次諧波。諧波會(huì)造成額外能耗，并造成電力元器件發(fā)熱、干擾控制信號(hào)，造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作甚至無故停車，并影響整個(gè)電網(wǎng)電能質(zhì)量，造成電網(wǎng)供電環(huán)境污染，增加電能損耗。因此，需要進(jìn)行科學(xué)的諧波治理。

(2)現(xiàn)有有源和無源諧波治理方案由于治理的目標(biāo)和功能不同，用在紡織企業(yè)作為諧波電流治理效果不佳。

(3)電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法通過控制基波電流與諧波電流的特征值和關(guān)聯(lián)度，吸收諧波電流補(bǔ)償基波、降低基波電流和電流有效值，適用于紡織廠多機(jī)臺(tái)、大功率、負(fù)荷變化復(fù)雜場(chǎng)所,治理效果較好。投入使用后可以使低壓母線側(cè)有效電流降低5%以上，低壓母線側(cè)5次諧波電流值下降50%以上,并能提高整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量，提高功率因數(shù)，減少電力安全事故。企業(yè)的電能利用率提高5%，可減少變壓器負(fù)荷或在變壓器不增容的情況下增加安裝機(jī)臺(tái)。