王亞兵

（玉環(huán)縣供電局，浙江 玉環(huán) 317600）

浙江玉環(huán)大量工業(yè)企業(yè)有中頻爐、高頻爐、電弧爐、整流設(shè)備等非線(xiàn)性負(fù)荷，這類(lèi)負(fù)荷比較集中，配電網(wǎng)中諧波電流較大，電能質(zhì)量較差。根據(jù)近年來(lái)供電局對(duì)諧波的監(jiān)測(cè)結(jié)果，大部分有非線(xiàn)性負(fù)荷的用戶(hù)諧波含量己經(jīng)超標(biāo)，35 kV用戶(hù)變電所曾多次出現(xiàn)并聯(lián)電容器發(fā)生鼓肚燒毀的事故。

通過(guò)對(duì)玉環(huán)配電網(wǎng)諧波的普測(cè)，包括負(fù)荷調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，根據(jù)測(cè)量分析結(jié)果提出相應(yīng)的諧波治理方案。

1 諧波測(cè)量方法

依據(jù)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況提出了具體的測(cè)試方案。

（1）測(cè)量信號(hào)的抽?。弘妷盒盘?hào)取自線(xiàn)路測(cè)量TV的二次回路；電流信號(hào)取自被測(cè)線(xiàn)路測(cè)量TA的二次回路。

（2）測(cè)量?jī)x器的設(shè)置：用FLUKE1760電能質(zhì)量分析儀測(cè)量；將儀器設(shè)置為自動(dòng)定時(shí)測(cè)量方式，每2次測(cè)量間隔為10 min，設(shè)置諧波次數(shù)為2～25次，進(jìn)行超過(guò)1天的連續(xù)諧波測(cè)量。

（3）數(shù)據(jù)處理方法：利用儀器的后臺(tái)分析功能，對(duì)定時(shí)測(cè)量的存盤(pán)數(shù)據(jù)文件作統(tǒng)計(jì)分析，得到電流電壓瞬時(shí)值，電流電壓總畸變率，各次諧波電流電壓的95%概率值、最大值、最小值和平均值，并以最大相的95%概率值作為最終測(cè)量結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)的限值或允許值比較來(lái)確定諧波電流是否超標(biāo)。

（4）測(cè)量對(duì)象的選擇∶測(cè)量35 kV主要變電所，選擇有代表性的單位、企業(yè)進(jìn)行。

2 玉環(huán)配電網(wǎng)諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.1 變電所側(cè)測(cè)量

玉環(huán)縣現(xiàn)共有12座35 kV變電所，從測(cè)量結(jié)果分析，存在以下問(wèn)題：

（1）變電所存在3次諧波電壓含有率、電壓總畸變率超標(biāo)的情況。變電所3次諧波電壓超標(biāo)是由于變壓器飽和、單相整流負(fù)載引起的，電容器組的投入也有可能引起了3次諧波的諧振放大。雖然大多數(shù)配電變壓器是D-Y接法，在三相對(duì)稱(chēng)的情況下可抑制3次諧波，但是實(shí)際用戶(hù)常常出現(xiàn)三相不對(duì)稱(chēng)的情況，無(wú)法抑制3次諧波，這一點(diǎn)在用戶(hù)測(cè)量時(shí)得到確認(rèn)。另外，應(yīng)注意測(cè)量變電所3次諧波與互感器的接法有關(guān)，電壓互感器的消諧電阻會(huì)使3次諧波電壓測(cè)量值放大，而不一定是高壓側(cè)含有較高的3次諧波電壓。

（2）3， 5， 7次諧波電流較大。 用戶(hù)側(cè) 5， 7，11，13次諧波電流超標(biāo)，變電所側(cè)5，7，11，13次諧波電流不超標(biāo)，主要是與配電變的容量與系統(tǒng)容量比有關(guān)，配電變?nèi)萘吭叫』蛳到y(tǒng)容量越大，則抑制5～13次奇次諧波能力越強(qiáng)。

（3）其中有 2個(gè)變電所還存在 14，16，18，19～25高次諧波電流超標(biāo)的情況。經(jīng)過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)變電所供電用戶(hù)的主要用電設(shè)備為感化爐、電弧爐，會(huì)產(chǎn)生偶次諧波，導(dǎo)致變電所偶次諧波超標(biāo)。

2.2 用戶(hù)側(cè)測(cè)量

測(cè)量結(jié)果表明，電鍍、機(jī)械類(lèi)企業(yè)主要用電設(shè)備是6脈動(dòng)整流設(shè)備，存在5，7，11，13，17，19，23次特征諧波超標(biāo)的情況，較大的諧波電流導(dǎo)致諧波電壓超標(biāo)嚴(yán)重。出現(xiàn)的非特征諧波是由于三相不對(duì)稱(chēng)引起的，三相對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)不太嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生特征諧波，不對(duì)稱(chēng)嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生非特征諧波的。有些企業(yè)偶次諧波電流不合格，主要原因是感應(yīng)爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐等設(shè)備的交流電正負(fù)半周換相，石墨電極和鋼交替作陰極和陽(yáng)極，因不同材料的發(fā)射電子能力不一樣，故使電流的正負(fù)兩個(gè)半周的波形不對(duì)稱(chēng)，造成偶次諧波超標(biāo)。

閥門(mén)類(lèi)企業(yè)不存在諧波問(wèn)題，但短時(shí)間閃變和長(zhǎng)時(shí)間閃變不合格，這是由于電動(dòng)機(jī)等沖擊性負(fù)荷引起的。醫(yī)院的諧波合格，但奇次諧波含量較大。政府機(jī)關(guān)的諧波電壓和諧波電流均合格；其中2，3次諧波電流偏大。中學(xué)的A相諧波電流超標(biāo)，電流明顯過(guò)載，而其它相電流較小，認(rèn)為可能諧波源集中接在A相，三相不平衡電流導(dǎo)致A相各次諧波電流超標(biāo)，諧波負(fù)荷可能為計(jì)算機(jī)、變頻空調(diào)等。小區(qū)、酒店的諧波基本合格。

通過(guò)諧波測(cè)量分析，掌握了玉環(huán)配電網(wǎng)的諧波源的特點(diǎn)，其中，變電所3次諧波電壓超標(biāo)；企業(yè)的諧波超標(biāo)較為嚴(yán)重，尤其是電鍍、機(jī)械類(lèi)企業(yè)，負(fù)荷以整流設(shè)備為主，主要是奇次諧波電流超標(biāo)，但也存在三相不對(duì)稱(chēng)或非特征諧波及偶次諧波等情況。

3 典型諧波源治理方案

根據(jù)電網(wǎng)諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?，結(jié)合諧波普測(cè)中所分析得出的玉環(huán)配電網(wǎng)諧波源的特點(diǎn)和企業(yè)不同的經(jīng)濟(jì)狀況，決定對(duì)玉環(huán)環(huán)城發(fā)動(dòng)機(jī)附件廠及環(huán)城發(fā)動(dòng)機(jī)附件二廠分別采用不同的方案進(jìn)行諧波治理。

3.1 無(wú)源濾波器方案

玉環(huán)環(huán)城發(fā)動(dòng)機(jī)附件二廠采用的是無(wú)源濾波器方案，分別設(shè)計(jì)二路濾波支路，一次原理接線(xiàn)圖如圖1所示。無(wú)源濾波器安裝容量：5次濾波支路為300 kvar；5次調(diào)諧濾波支路為60 kvar；7次濾波支路為210 kvar；7次調(diào)諧濾波支路為30 kvar。

圖1 無(wú)源濾波器一次原理接線(xiàn)圖

無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，考慮產(chǎn)業(yè)群集中在一個(gè)工業(yè)園區(qū)或地理位置比較接近的區(qū)域范圍內(nèi)，這樣的產(chǎn)業(yè)布局使非線(xiàn)性負(fù)載非常集中，負(fù)荷變化較大，對(duì)電網(wǎng)沖擊較為嚴(yán)重。讓所有產(chǎn)生諧波的企業(yè)同時(shí)進(jìn)行諧波治理是不現(xiàn)實(shí)的，而進(jìn)行單點(diǎn)諧波治理又會(huì)遇到以下問(wèn)題：當(dāng)某一諧波源企業(yè)的無(wú)源濾波裝置投入運(yùn)行時(shí)，附近企業(yè)的非線(xiàn)性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流由于該無(wú)源濾波裝置的低阻抗而流入該裝置；當(dāng)流入的諧波電流超過(guò)設(shè)計(jì)的容量時(shí)，無(wú)源濾波裝置就會(huì)過(guò)載而發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致裝置損壞。如果該無(wú)源濾波裝置安裝在用戶(hù)配電變壓器的低壓側(cè)，則背景諧波電流會(huì)流過(guò)用戶(hù)配電變壓器從而導(dǎo)致用戶(hù)配電變壓器損耗增大、壽命降低甚至損壞。

在這種情況下，采用無(wú)源智能調(diào)諧濾波裝置對(duì)濾波支路和調(diào)諧支路進(jìn)行投切控制?？刂破鲗?shí)時(shí)檢測(cè)濾波器支路的諧波電流，當(dāng)諧波電流在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)超過(guò)設(shè)計(jì)的額定值時(shí)，調(diào)偏該次濾波器的諧振頻率，增大該次諧波的阻抗，從而阻止背景諧波電流的流入；如果附近廠家不斷投入生產(chǎn)，背景諧波電流持續(xù)增加，當(dāng)諧波電流達(dá)到保護(hù)設(shè)定值時(shí)，控制器就會(huì)切除該次及更高次濾波器支路，以保護(hù)無(wú)源濾波裝置和用戶(hù)變壓器。

需要指出的是7次濾波器同時(shí)也濾除大部分9次以上的諧波電流。

濾波器為單調(diào)諧L-C型濾波器。電抗器和電容器組的參數(shù)均根據(jù)系統(tǒng)過(guò)壓和濾波器出廠參數(shù)誤差的極限值情況計(jì)算得出，因此足以保證系統(tǒng)可靠性和延長(zhǎng)濾波系統(tǒng)的使用壽命。

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，可清楚地比對(duì)出治理前后的效果（見(jiàn)圖2）。治理方案實(shí)施后的實(shí)測(cè)結(jié)果如表1所示。

3.2 混合有源濾波器方案

圖2 治理前后諧波含量對(duì)照

玉環(huán)縣環(huán)城發(fā)動(dòng)機(jī)附件廠采用混合有源濾波器方案，其中1號(hào)變壓器的總?cè)萘繛?00 kVA，其負(fù)載的功率因數(shù)在0.83左右，要使功率因數(shù)達(dá)到0.93以上，變壓器的無(wú)功補(bǔ)償安裝容量為250 kvar。新裝TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置具有抑制諧波放大的功能，并能在一定程度上濾除少量諧波。

鑒于安裝TSC無(wú)功補(bǔ)償裝置以后，主要的5次諧波還是嚴(yán)重超過(guò)國(guó)標(biāo)，所以考慮再安裝1套150 A的有源濾波裝置（APF），其中混合有源濾波器開(kāi)關(guān)損耗非常低，抗干擾能力強(qiáng)。一次原理接線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 諧波治理方案一次原理接線(xiàn)圖

表1 400 kVA變壓器濾波前后諧波電流含量對(duì)比

經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，可清楚地比對(duì)出治理前后的效果（見(jiàn)圖4），治理方案實(shí)施后的實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

4 諧波治理效果分析

在安裝濾波器后，用戶(hù)的諧波電流各次特征電流諧波含有率有了明顯的降低，均已符合國(guó)家的有關(guān)規(guī)定要求。尤其是加裝混合有源濾波器后，其效果更為明顯。

圖4 治理前后諧波含量對(duì)照

表2 500 kVA變壓器濾波前后諧波電流含量對(duì)比

由治理方案實(shí)施前后對(duì)比中可以得出，無(wú)源濾波在濾波后雖然也能達(dá)到國(guó)家規(guī)定的有關(guān)要求，但其濾波效果與混合有源濾波相比效果較差。而混合有源濾波效果則相對(duì)較好，濾波后電流波形已接近于正弦波形，并且即使以后企業(yè)設(shè)備負(fù)荷有變化對(duì)濾波效果影響也不大，但其價(jià)格也相對(duì)較高，這也是混合有源濾波難以在企業(yè)用戶(hù)大范圍推廣的原因。

兩個(gè)試點(diǎn)企業(yè)在治理方案實(shí)施后還取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)在兩方面，一是因?yàn)楣β室驍?shù)提高而節(jié)約了費(fèi)用；二是因?yàn)榫€(xiàn)損降低而節(jié)約了電費(fèi)支出。濾波補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后，每月平均功率因數(shù)將達(dá)到0.93以上，功率因數(shù)調(diào)整費(fèi)變罰為獎(jiǎng)，因此供電部門(mén)每月獎(jiǎng)勵(lì)4 000元以上，與以前功率因數(shù)低于0.9而被每月罰款3 000元相比可節(jié)約費(fèi)用7 000元以上，每年則可節(jié)約8.4萬(wàn)元以上。

諧波治理裝置投運(yùn)后，不僅降低用電設(shè)備的損耗，而且使高低壓側(cè)電流減少，線(xiàn)損率、主變銅損及上一級(jí)輸電線(xiàn)路的線(xiàn)損降低。采用無(wú)功功率補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)當(dāng)量來(lái)估算無(wú)功功率補(bǔ)償后的節(jié)電量，濾波器組實(shí)際補(bǔ)償容量為200 kvar左右，由于企業(yè)大多晚上22∶00開(kāi)工，次日早晨8∶00停工，因此按每天工作10 h計(jì)算，無(wú)功功率補(bǔ)償經(jīng)濟(jì)當(dāng)量取0.05，則每年可節(jié)省電能36 500 kW·h。若每kW·h電價(jià)按電力公司近來(lái)的平均電價(jià)0.6元計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)2.19萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)供電用戶(hù)的實(shí)際情況，制定了低壓無(wú)源濾波和混合有源濾波二套方案，根據(jù)非線(xiàn)性負(fù)荷比較集中的情況，又提出了智能調(diào)諧方案，提高了無(wú)源濾波器的使用壽命。試運(yùn)行3個(gè)月效果良好，諧波治理后電網(wǎng)電能質(zhì)量滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。證明諧波治理方案是可行的，為玉環(huán)配電網(wǎng)的諧波治理提供了良好的借鑒模式。

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