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企业谐波治理方案
发布日期:2019-02-14 发布人:万创EHS

万创EHS——企业谐波分析及治理方案

 

谐波的来源:

电力系统中的谐波来自电气设备,也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波,因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类:隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机,凸极机多用于水轮发电机。

对于谐波分量而言,隐极机优于凸极机,但随着科技进步,可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入,使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时,由于电机的磁饱和,会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时,也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下,所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小,比国家的考核标准低的多,因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。

为此,影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备,也就是说非线性用电设备是主要的谐波源,非线性用电设备主要有以下四大类:

· 电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。

· 交流整流的直流用电设备:如电力机车、电解、电镀等。

· 交流整流再逆变用电设备:如变频调速、变频空调等。

· 开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

这些用电设备都是非线性用电设备,但它们产生的谐波各不相同,具体举例分析如下:

电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧,才会有弧电流,并且灭弧电压略低于起弧电压,造成弧电流与弧电压的非线性。

此外,弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波,造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大,而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用。由于当时电弧加热设备量少,电焊机应用的同时率就更小了,对整个电网的影响比较小,但发现在烧电焊时,局部低压电网的电压和电流变化很大,有较大的谐波影响。

交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压,在小于阀电压时,电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源,在整流设备中加入了储能元件(滤波电容和滤波电感),从而使阀电压提高,加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流,在整流设备中应用了可控硅,这使得该类设备的谐波污染更严重,而且谐波的次数比较低。

交流整流再逆变用电设备,在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样,它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流,这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波,也有高次谐波。

虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小,但它的分布面广,数量多,是推广使用的技术手段,因此它的谐波污染应引起足够关注。

开关电源设备应用很广,它的工作原理是先把交流整流成直流,通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭,从而在变压器二次侧感应出电流,供给用电设备。此外,开关电源的频率比较高一般在40kHz左右,不仅在整流时产生谐波,而且在开关管开闭时,反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大,但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备,它还有一定量的三次谐波,造成配变的中心线电流居高不下,而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。

 

 

谐波现状分析:

通过对市场的常用用电器的谐波状况的测试,我们了解到目前我国内工业企业的谐波污染十分严重,尤其是早些年为了节能,引入的变频电源和直流用电器的投入,其5次、7次、11次谐波电流的含量分别占基波的20%11%6%,这对于小功率的用户而言,还不怎样,但对于大功率的用户来说,危害就很大了,对于中频炉用户,它用常规的无功补偿就无法进行,有的用户用常规的电容器无功补偿,无法投入电容器,有的即便投入了,也对5次谐波电流放大了1.8~3.8倍以上,使得电动机、变压器等用电器的铜损、铁损大大地增加,缩短了设备的使用寿命,多交了电费。

 

 

谐波的危害:

首先,谐波会增加设备的铜耗、铁耗和介质损耗进而加剧热应力,从而运行中需要降低设备的额定出力。其次,谐波还可以使电压峰值增大,若忽略相位差,则峰值电压上升的标幺值就等于电压峰值系数,这种电压升高会导致绝缘应力升高,最终有可能使电缆绝缘击穿。最后,谐波还会引起负载设备损坏(这里负载设备损坏广义的定义为由电压畸变引起的任何设备故障或工作不正常),并缩短设备寿命。

另外,3倍数次谐波即使在负载平衡的情况下也会使中性线带电流,并且此电流有可能等于甚至大于相电流。这种情况会导致零地电位差的升高,而且中性线上的开关和电缆等的选取都需要做出适当调整。此外,如果谐波引起了谐振,则极大的谐振电流会在电源系统中引起更大的破坏。

谐波对保护装置、通信电路和电子设备等的影响

谐波还会干扰保护继电器、测量设备、控制电路和通信电路以及用户电子设备等,还会使灵敏设备发生误动作或元件故障。谐波在以下几个方面影响保护和控制装置、测量设备、通信电路和电子负载。

谐波影响断路器的开断能力。

受电压和电流峰值或零值控制的继电器会受到谐波的影响。在有谐波存在时,机电型继电器的延时特性会改变。零序电流继电器不能区分零序电流和3次谐波电流,从而导致误跳闸。

测量仪表对非正弦信号呈现出不同的响应特性,从而导致计量不准确。

谐波通过感性耦合干扰电话线路。

由于过零点的移动,谐波影响电子装置和控制电路的正常工作。

谐波干扰用户负载,这对计算机系统特别值得关注。

谐波缩短白炽灯的寿命和引起荧光灯的故障。

 

 

谐波治理的目的和意义:

1、  满足电力公司对谐波电流发射的限制要求

2、  释放变压器的有效容量,提高变压器的效率

3、  提高配电系统(包括无功补偿装置、继电保护器、电缆等)的可靠性

4、  为企业内的各种设备提供优质电能,保证制造系统稳定进行,降低因电力波动造成的次品率

 

 

谐波治理的方案:

1.谐波治理的总体思路。谐波的治理应当首先考虑预防,控制好谐波产生的源头,使系统中产生的谐波尽量减小,就可以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此,在选择设备和构建系统时,就应该将减小谐波做为一项重要的条件来考虑。对于交流和直流两大类通信电源设备:在其他条件同等或类似的情况下,UPS系统应该优先选择12脉冲或者Delta变换的设备,直流系统应优先选择有更好的整流电路和完善的滤波措施的产品。

其次,在预防的基础上,再考虑补救措施。特别是对于既有的用户低压系统来说,由于系统结构已经基本固定,谐波问题的解决只能通过加装电抗器、滤波器等补救措施得以控制。

2.治理谐波的预防性措施。预防性的解决办法是指避免谐波及其后果出现的措施,如下。

1)整流器中的相位抵消(通过选择合适的相位移动,由低脉波数整流器构成的高脉波数整流器可以消除谐波)或谐波控制。应该使用具有较高脉波数的整流器,如使用12脉冲的整流器来代替6脉冲整流器。

2)开发有效的过程和方法来控制、减小或消除电力系统设备的谐波。

3.治理谐波的补救性措施。补救性的解决方法是指为克服既有谐波问题所采用的技术,包括使用LC无源滤波器、使用有源滤波器、电路解谐,详见下面的治理方法。

 

  方案策略1:高压母线治理。

  方案策略2:低压母线治理。在变压器下端,低压母线上治理谐波,通常采用无源滤波器、有源滤波器等。但是无源滤波器往往会发出额外的容性无功,这在有些场合是不容许的。            

  方案策略3:就地治理。在设备的电源入口处治理谐波,这是最有效最理想的治理策略。相当于将非线性负载变为线性负载,谐波导致的一切问题将迎刃而解。 

 

 

治理策略方案比较

谐波治理的目的

方案策略1

方案策略2

方案策略3

满足电力公司的要求

减小变压器损耗


企业内部电网稳定高效



企业内部设备工作稳定



企业内部电能质量优良



添加生产设备方便



 

一套先进实用的谐波综合治理实施案例:

1、  在较大功率(例如50KW以上)的谐波源负载处,安装设备级的谐波滤波器,消除谐波电流在内部电网上造成的风险和损害。

2、  较小功率的谐波源负载,暂且不进行治理,节省成本。

3、  处理完谐波源负载的问题后,根据需要,决定是否需要在低压母线上进行谐波治理。

4、  最后考虑,是否需要在高压母线上进行治理。

 

主要治理设备及功能一览

名称

功能

高压谐波滤波器(MSVC

安装在高压母线上,满足电力公司对功率因数、谐波电流的要求

有源滤波器(PSW

安装在低压母线上,或谐波源设备的电源输入端,使上游谐波电流畸变率小于5%

无源设备级滤波器(HTHF

安装在谐波源设备的电源输入端,使上游的谐波电流畸变率小于8%

零线谐波电力阻断器(NBF

安装在零线上,减少配电系统的中的三次谐波电流。

 


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