曹漢紅，姜大寶

水泥廠的諧波治理

Harmonic Wave Governing for the Cement Plant

曹漢紅，姜大寶

1 概述

采用變頻器驅(qū)動的電動機系統(tǒng)具有節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護簡單、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點，但它的非線性、沖擊性用電的工作方式，也帶來了很多的干擾問題。變頻器的輸入端和輸出端都會產(chǎn)生大量諧波，輸入端的諧波會通過輸入電源線對公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響，而輸出端的諧波不但會對其本身的電源或內(nèi)部產(chǎn)生影響，更會引起電動機故障或影響控制設(shè)備（如計算機或傳感器），甚至造成停產(chǎn)等損失。

水泥廠供配電系統(tǒng)的諧波污染大大降低了電能傳輸和利用效率，故而進行諧波治理是非常必要的。

2 水泥生產(chǎn)線諧波特征

2.1 諧波主要來源為變頻器

從結(jié)構(gòu)來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。它的每相都是一個兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負荷上就獲得了交變輸出的電壓U0,U0的幅值決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。目前在水泥企業(yè)里應(yīng)用較多的還是間接變頻器。

間接變頻有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：

（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。

（2）用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓。

（3）用不控整流器整流，PWM逆變器同時變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件輸出波形才會形成非常逼真的正弦波。

2.2 變頻器如何產(chǎn)生諧波

無論哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變。經(jīng)傅里葉分析可知，這種非同期正弦波電流是由頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。

表1 諧波的分類比較與治理

表2 諧波電壓限值

表3 諧波電流限值

表4 某廠燒成窯頭電力室諧波治理方案

3 諧波及分類

3.1 電能質(zhì)量

說到諧波，我們應(yīng)該首先了解一下電能質(zhì)量。

一個理想的電力系統(tǒng)應(yīng)以恒定的頻率（50Hz）和正弦波形，按規(guī)定的電壓水平對用戶供電。在三相交流電力系統(tǒng)中，各相的電壓和電流應(yīng)處于幅值大小相等、相位互差120°的對稱狀態(tài)。由于系統(tǒng)各元件(發(fā)電機、變壓器、電動機、線路等等)參數(shù)并不是理想線性或?qū)ΨQ的，加之調(diào)控手段的不完善、負荷性質(zhì)各異且其變化的隨機性及運行操作、各種故障等原因，這種理想狀態(tài)在實際當(dāng)中并不存在，因此就產(chǎn)生了電能質(zhì)量（Power Quality）的概念。

電能質(zhì)量與一般產(chǎn)品質(zhì)量不同，有其如下特點：

（1）不完全取決于電力生產(chǎn)企業(yè)，甚至有的電能質(zhì)量指標(biāo)（例如諧波，電壓波動和閃變，三相電壓不平衡度）往往是由用戶干擾所造成的；

（2）對于不同的供（或用）電點在不同的供（或用）電時刻，電能質(zhì)量指標(biāo)往往是不同的，也就是說，電能質(zhì)量在空間上和時間上均處于動態(tài)變化之中。

3.2 諧波的概念

在電能質(zhì)量多種指標(biāo)中，受干擾性負荷影響，諧波是最為普遍的，這是因為非線性負荷在快速增長，電網(wǎng)的諧波水平在不斷提高。

電網(wǎng)中接入非線性負荷，使得電壓、電流的波形產(chǎn)生了畸變，其波形不再是正弦的。由電工理論可知，電流電路的理論和計算均以正弦波形為基礎(chǔ)，當(dāng)波形成為非正弦時，將會給系統(tǒng)帶來很多問題。

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3.3 諧波的分類

供電系統(tǒng)中諧波可分為電力側(cè)諧波和用戶側(cè)諧波。

·電力側(cè)諧波：

又稱低頻諧波，通常是指40次以下的諧波，尤以3、5、7、9等次諧波為代表，對供電系統(tǒng)產(chǎn)生危害，造成電網(wǎng)供電效率下降，電容發(fā)熱甚至燒毀等。

·用戶側(cè)諧波：

又稱高頻諧波，通常是指40次以上的諧波，頻率通常在2000Hz以上，對用電設(shè)備產(chǎn)生危害，造成工作質(zhì)量下降、死機、損壞、壽命下降等。

表1為諧波的分類比較與治理。

3.4 諧波的危害

在使用變頻器的場所中，一般來講，變頻器對容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但是對于系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，并且它對公用電網(wǎng)也是一種污染，諧波的存在對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有：

（1）諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用率，大量的三次諧波流過中線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

（3）諧波會引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會對控制系統(tǒng)中的設(shè)備產(chǎn)生影響，造成控制系統(tǒng)紊亂、電腦死機、通訊系統(tǒng)中斷、數(shù)據(jù)及信息丟失。

3.5 諧波治理設(shè)備的工作原理

簡單地說諧波保護器是通過實時檢測電網(wǎng)中由非線性負載產(chǎn)生的電流波形，分離出諧波部分，將其反相，再通過逆變器的觸發(fā)將反相電流注入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)濾除諧波的功能。

4 諧波限值的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》GB50052-2009，5.0.12配電系統(tǒng)中的諧波電壓和在公共連接點注入的諧波電流允許限值，亦符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-1993的規(guī)定（表2、3）。

5 水泥生產(chǎn)線諧波治理方案實例

某現(xiàn)代化水泥廠的窯頭車間經(jīng)常出現(xiàn)電動機燒毀、變壓器噪音巨大、變頻器或電容燒毀、生產(chǎn)線傳輸中斷、通訊數(shù)據(jù)丟失等情況，這說明系統(tǒng)中電力側(cè)諧波和用戶側(cè)諧波的含量都比較大，需要做一個全面的諧波檢測。

5.1 諧波的治理

根據(jù)電力側(cè)諧波的含量及諧波電流的大小，安裝HPD2000諧波保護器；

根據(jù)用戶側(cè)諧波的含量，在低壓進線側(cè)安裝HPD1000諧波保護器；

在重要的設(shè)備端和負載端安裝HPD99諧波保護器。

治理方案如表4所示。

治理設(shè)備安裝位置見圖1、2、3。

5.2 治理后檢測

根據(jù)此方案進行諧波治理以后，該工廠存在的問題得到了明顯的好轉(zhuǎn)，生產(chǎn)率得到了很大提高，圖4～7是進行諧波治理前后的數(shù)據(jù)比較。

從圖4～7中可以看到，電流波形在治理后得到了明顯改善，諧波含量符合國家的標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)以上測試數(shù)據(jù)可以看出，通過諧波保護器的全面治理，諧波的含量得到了明顯的改善，系統(tǒng)的諧波少了，用電環(huán)境好了，生產(chǎn)效率將得到很大的提高。

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呂 光