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隨著電力電子變流裝置的應(yīng)用日益廣泛,電能得到了更加充分的利用,但非線性電力裝置設(shè)備的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波,諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行,給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。煙草工業(yè)在生產(chǎn)制造過程中,使用大量的變頻器進行調(diào)速,變頻器所產(chǎn)生的諧波
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EPS電源
變頻電源
凈化電源
特種電源
發(fā)電機組
開關(guān)電源(AC/DC)
逆變電源(DC/AC)
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便攜式電源
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電源配套分類
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測試儀器
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<P align=right>徐霜 </P> <P align=right>(安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801) </P> <P> <STRONG>摘要:</STRONG>隨著電力電子變流裝置的應(yīng)用日益廣泛,電能得到了更加充分的利用,但非線性電力裝置設(shè)備的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波,諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行,給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。煙草工業(yè)在生產(chǎn)制造過程中,使用大量的變頻器進行調(diào)速,變頻器所產(chǎn)生的諧波,對廠區(qū)配電室的供電網(wǎng)造成了一定的影響。本文通過分析諧波的危害,并提出采用有源電力濾波器進行某卷煙廠諧波治理的方案。 </P> <P> <STRONG>1、諧波的危害 </STRONG></P> <P> 變頻器工作時會產(chǎn)生大量的諧波電流,諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降,會使電壓波形也變成非正弦。這樣,連接在同一點的其他設(shè)備上就會被施加了含有諧波成分的非正弦電壓,致使一些敏感設(shè)備無法正常工作。諧波對企業(yè)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面: </P> <P> (1)使電力元件附加損耗加大,易引發(fā)火災(zāi) </P> <P> 諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗,降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱,甚至引起火災(zāi)。 </P> <P> (2)影響電氣設(shè)備的正常運行 </P> <P> 諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作,使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等;使變壓器局部嚴重過熱;使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短,以致?lián)p壞。 </P> <P> (3)引起電網(wǎng)諧振 </P> <P> 這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍,會對系統(tǒng),特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅,經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。 </P> <P> (4)使繼電保護誤動作,電氣測量誤差過大。 </P> <P> 諧波會導(dǎo)致繼電保護,特別是微機綜合保護器與自動裝置誤動作,造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。諧波還會使電氣測量儀表計量不準確,產(chǎn)生計量誤差,給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟損失。 </P> <P> (5)使工控系統(tǒng)崩潰 </P> <P> 臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾,輕則產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量、計算機無法正常工作,重則導(dǎo)致信息丟失,使工控系統(tǒng)崩潰。 </P> <P> 諧波所產(chǎn)生的危害如此之嚴重,世界各國都對諧波問題予以充分關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議,不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。國標GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值和諧波電流允許值分別見表1-1和表1-2: </P> <P> 表1-1 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值 </P> <P align=center><IMG border=0 alt="公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值 " src="/uploadfile/newspic/20141229144453799.jpg"></P> <P> 表1-2 注入公共連接點的諧波電流允許值 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=注入公共連接點的諧波電流允許值 src="/uploadfile/newspic/20141229144504131.jpg"></P> <P> <STRONG>2、諧波的治理 </STRONG></P> <P> 傳統(tǒng)的LC無源調(diào)諧濾波器的方法可以降低諧波電流,又可以補償無功功率,而且結(jié)構(gòu)簡單,故一直被廣泛使用,但這種方法的最大缺點就是其性能要受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波電壓放大,如果保護措施不得力,甚至使LC濾波器過載或燒毀。有源電力濾波器(APF:Active Power Filter)是“用戶電力技術(shù)”中一種非常重要的裝置,它能抑制電流諧波及閃變等,用以補償負荷電流中的諧波和無功,使電源側(cè)電流保持為正弦波,從而防止諧波對電網(wǎng)的污染和提高功率因數(shù)。這種補償器主要用在對非線性負荷所產(chǎn)生的諧波源進行治理。 </P> <P> 安科瑞電氣股份有限公司開發(fā)的ANAPF系列有源電力濾波器,采用實時的檢測方法,得到電網(wǎng)電壓或電流中的波動、不對稱、諧波等畸變分量,利用快速的電力電子功率器件(IGBT)產(chǎn)生與其相反的波形,再將其抵消掉。原理如圖2-1所示: </P> <P align=center><IMG border=0 alt=ANAPF有源電力濾波器原理圖 src="/uploadfile/newspic/20141229144515810.jpg"></P> <P align=center>圖2-1 ANAPF有源電力濾波器原理圖 </P> <P> <STRONG>3、有源濾波案例 </STRONG></P> <P> 某卷煙廠動能車間卷接配電室,配置兩臺2000KVA的干式變壓器,由于其負卷包車間使用了大量變頻器,曾引起電抗器損壞、低壓開關(guān)燒毀,我們使用FLUKE434電能質(zhì)量分析儀對其中一臺變壓器負載進行測量,測試點位于電容補償后負載前的母排,測量發(fā)現(xiàn)變壓器副邊側(cè)5次電流諧波達到148A,7次諧波電流達到45A,從波形上明顯看到畸變嚴重?傠娏鳛746A,畸變率為22.2%,總的諧波電流可以計算出為746×22.2%=165.61A。 </P> <P> 治理方案:在變壓器副邊側(cè)并聯(lián)接入200A有源電力濾波器對其諧波進行集中治理,使系統(tǒng)正常運行不受諧波危害。方案如圖3-1所示。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=ANAPF集中治理方案圖 src="/uploadfile/newspic/20141229144530181.jpg"></P> <P align=center>圖3-1 ANAPF集中治理方案圖 </P> <P> 安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術(shù)參數(shù)見表3-1和表3-2。 {$page$}</P> <P> 表3-1 ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數(shù) </P> <P align=center><IMG border=0 alt=ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數(shù) src="/uploadfile/newspic/20141229144543881.jpg"></P> <P> 表3-2 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單 src="/uploadfile/newspic/20141229144616946.jpg"></P> <P> 注:以上技術(shù)參數(shù)或器件名稱、數(shù)量如有更改,恕不另行通知。 </P> <P> <STRONG>4 諧波治理效果 </STRONG></P> <P> 安裝200A有源電力濾波器后,電流畸變率得到大幅度下降,電流波形圖由投入前的不規(guī)則變?yōu)橥度牒蟮慕咏也āV卫砬昂蟛ㄐ稳鐖D4-1所示。同時功率因數(shù)得到提高,減少了線路的功率損失,提高了電網(wǎng)輸電效率,可節(jié)約電能,降低生產(chǎn)成本,減少企業(yè)的電費開支。 </P> <P align=center><IMG border=0 alt="治理前后波形對比 " src="/uploadfile/newspic/20141229144634917.jpg"></P> <P align=center>圖4-1 治理前后波形對比 </P> <P> <STRONG>5、諧波治理經(jīng)濟效益 </STRONG></P> <P> 配電系統(tǒng)中無功主要靠無功柜補償,但是諧波對無功柜內(nèi)電容的損害非常嚴重。電容器的壽命跟加在電容上的電壓、電容運行環(huán)境溫度和電容器投切次數(shù)密切相關(guān)。根據(jù)著名電容器廠商EPCOS的測試數(shù)據(jù),電容器運行壽命可以用以下公式表示: </P> <P align=center><IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20141229144710844.jpg"></P> <P> 其中LE為電容實際運行壽命;LEn是電容器期望壽命;Xv是電壓系數(shù);Xt是溫度系數(shù);Xs是投切系數(shù)。系數(shù)關(guān)系表如表5-1: </P> <P> 表5-1 電容實際壽命與電壓、溫度及切頭次數(shù)關(guān)系 </P> <P align=center><IMG border=0 alt=電容實際壽命與電壓、溫度及切頭次數(shù)關(guān)系 src="/uploadfile/newspic/20141229144723245.jpg"></P> <P> 以EPCOS電容器為例,正常工作電壓400V,工作溫度35℃,每年投有阻尼切次數(shù)不大于5000次,那么該電容器的使用壽命即為正常壽命。 </P> <P> 在諧波環(huán)境下工作的電容,由于電容對諧波呈低阻抗特性,所以首先溫度會大大上升,溫度Xt將變小;由于有諧波會產(chǎn)生壓降,為提高功率因數(shù),電容電壓必須大于線電壓,這導(dǎo)致電壓系數(shù)Xv也變;另外高溫會導(dǎo)致電容容值下降,為保證功率因數(shù),電容投切次數(shù)必然上升,切投系數(shù)Xs同時減小。因此根據(jù)上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn,也即在諧波環(huán)境下工作的電容壽命為正常環(huán)境下電容壽命的十分之一! </P> <P> 由于諧波環(huán)境下電容器更容易損壞,頻繁的更換電容直接導(dǎo)致硬件成本的上升;另外電容柜是供電系統(tǒng)中提供無功最大的電器柜,電容出現(xiàn)故障必然會導(dǎo)致功率因數(shù)下降,繼而會因功率因數(shù)低而被罰款。以電容正常壽命5年計算,在諧波環(huán)境下運行的電容半年就要更換。該卷煙廠每臺變壓器配有無功ABB電容器,單個25Kvar,共800kvar。ABB電容器價格在2000元左右,在與該卷煙廠現(xiàn)場工作人員交流中了解到,平均每月都會更換一個電容。也即一年僅更換電容就有24000元的經(jīng)濟損失。由于諧波影響,電容壽命為正常壽命的十分之一,也即更換頻率為正常的10倍!這并不包括由于電容容量的降低使得功率因數(shù)低而罰款和這期間各種其他間接損失。由此可以看出諧波產(chǎn)生的直接經(jīng)濟損失十分巨大。 </P> <P> <STRONG>6 結(jié)束語 </STRONG></P> <P> 近年來,變頻器因其驅(qū)動電機系統(tǒng)節(jié)能明顯、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于大量工廠,但同時因其非線性工作方式產(chǎn)生的高次諧波也給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了一定的影響,其危害已不可忽視。對于電能質(zhì)量要求越來越嚴格的今天,并聯(lián)型有源電力濾波器是一種特別適合煙草行業(yè)諧波治理的優(yōu)秀方案。ANAPF有源電力濾波器能很好的抑制電網(wǎng)中的諧波污染,極大改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量,良好滿足設(shè)備的運行要求和國家標準。 </P> <P> <STRONG>參考文獻 </STRONG></P> <P> [1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京:中國標準出版社,1994. </P> <P> [2]王萍.諧波治理在卷煙行業(yè)變配電中的應(yīng)用. </P> <P> [3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊2014.1版. </P> <P> <STRONG> 作者簡介: </STRONG></P> <P> 徐霜,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為電力電子及諧波治理。<SPAN style="FONT-FAMILY: Webdings"><</SPAN></P>