王勇

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性電抗，在運(yùn)行過(guò)程中需要向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無(wú)功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器、同步調(diào)相機(jī)等容性設(shè)備以后，可以供給感性電抗消耗的部分無(wú)功功率小電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供無(wú)功功率、也即減少無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低輸電線路因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，改善電網(wǎng)的運(yùn)行條件。

本文以地鐵行業(yè)為例，闡述了濾波和無(wú)功補(bǔ)償裝置的作用，諧波產(chǎn)生的原因及解決諧波的方案。

1 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)采用集中110/35 kV兩級(jí)供電方式，每條線設(shè)兩座110/35 kV主變電所，牽引變電所:電動(dòng)車(chē)組通過(guò)AC35 kV/DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)受電，降壓變電所:35 kV/400 V車(chē)站動(dòng)力照明供電，降壓所400 V側(cè)采用單母線分段接線方式，兩段母線之間設(shè)母聯(lián)斷路器。

2 對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)10年的降壓變電所

2.1 諧波的來(lái)源

1 )高壓側(cè):35 kV側(cè)牽引變電所24脈沖整流機(jī)組產(chǎn)生23，25次諧波。2)低壓側(cè):變頻自動(dòng)扶梯、UPS、電子整流器、軟啟動(dòng)器。

三相非線性負(fù)荷產(chǎn)生的5，7，11，13等次諧波，單相非線性負(fù)荷產(chǎn)生的3，9等次諧波。

35 kV側(cè)電壓諧波實(shí)測(cè)值:電壓畸變率95%的概率大值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3%上限(見(jiàn)表1)。

表1 35 kV側(cè)電壓諧波實(shí)測(cè)值 %

400 V側(cè)電壓諧波實(shí)測(cè)值:最大值已經(jīng)超標(biāo)(見(jiàn)表2)。

400 V側(cè)電流諧波實(shí)測(cè)值:總諧波電流95%概率大值60 A，主要是3，5，7，11，13，23，25次諧波(見(jiàn)表3)。

2.2 諧波造成的主要問(wèn)題

1 )低壓電容器損壞:以前設(shè)計(jì)的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置沒(méi)有抗諧波能力(沒(méi)有串聯(lián)電抗器)，諧波流入電容器造成電容器長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行而損壞，尤其在引發(fā)共振的情況下，電網(wǎng)無(wú)法安全供電。2)損耗增加:諧波流經(jīng)電纜因集膚效應(yīng)造成損耗增加電纜過(guò)熱，諧波流經(jīng)變壓器因磁滯和渦流效應(yīng)造成的銅損和鐵損導(dǎo)致溫升增加，噪聲增大用戶(hù)有功損耗增加，支付更多電費(fèi)。3)斷路器誤動(dòng)作，過(guò)載保護(hù)提前啟動(dòng);發(fā)熱增加，熔絲提前熔斷。4)直接影響馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩的大小和規(guī)律性，降低馬達(dá)性能。5)需要采用更大截面的電纜和導(dǎo)線。6)零點(diǎn)電位飄移，三相電壓不平衡。7)損壞敏感的控制設(shè)備，如:控制用PLC誤動(dòng)和損壞、儀表錯(cuò)誤顯示。8)干擾電子通訊。

表2 400 V側(cè)電壓諧波實(shí)測(cè)值 %

表3 400 V側(cè)電流諧波實(shí)測(cè)值 A

3 對(duì)于目前的降壓變電所

1 )高壓側(cè):35 kV側(cè)牽引變電所24脈沖整流機(jī)組產(chǎn)生23次，25次諧波，車(chē)輛密度將大大增加:從以前車(chē)輛間隔5 min(每小時(shí)12對(duì))提高到間隔2 min(每小時(shí)30對(duì))，因此諧波將成倍增加。

2 )低壓側(cè):a.變頻自動(dòng)扶梯;b.UPS;c.電子整流器;d.根據(jù)節(jié)能減排20%的目標(biāo)，變頻器取代軟啟動(dòng)器，新增變頻排熱風(fēng)機(jī)，變頻回排風(fēng)機(jī)，變頻空調(diào)箱，單臺(tái)變頻功率22 kW，45 kW，90 kW不等，每個(gè)車(chē)站將新增6臺(tái)～8臺(tái)變頻裝置，新增變頻總功率在300 kW左右。

若新增300 kW變頻裝置按照40%諧波含量考慮，則新增諧波電流量=300×1 000×40%/(1.732×400×0.90)=193 A，需要重新考慮諧波的影響。

綜上所述，諧波來(lái)自電網(wǎng)35 kV側(cè)，無(wú)功補(bǔ)償裝置需要避免串聯(lián)諧振。因?yàn)榇?lián)諧振在共振頻率下呈現(xiàn)極低阻抗，即使很低的諧波電壓也將會(huì)產(chǎn)生非常大的諧波電流。諧波來(lái)自400 V低壓負(fù)荷側(cè)，無(wú)功補(bǔ)償裝置需要避免并聯(lián)諧振。因?yàn)椴⒙?lián)諧振在共振頻率下呈現(xiàn)極高阻抗，即使很低的諧波電流也將會(huì)產(chǎn)生非常大的諧波電壓。

4 濾波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)蛪?00 V解決方案對(duì)比

4.1 無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器實(shí)現(xiàn)濾波和無(wú)功補(bǔ)償功能。

1 )優(yōu)點(diǎn):a.40%～50%左右諧波被濾除;b.價(jià)格相對(duì)便宜。

2 )缺點(diǎn):a.需要為每一種諧波單獨(dú)配置一套調(diào)諧濾波器(無(wú)法濾除35 kV側(cè)耦合來(lái)的高次諧波);b.濾多次諧波需要更多安裝空間;c.易因過(guò)載而退出運(yùn)行;d.無(wú)法擴(kuò)展;e.濾波效率低且受電網(wǎng)參數(shù)的影響;f.如果形成新的諧振將帶來(lái)嚴(yán)重后果;g.總是伴隨產(chǎn)生無(wú)功補(bǔ)償(不適合功率因數(shù)高但諧波分量大的交流變頻負(fù)荷)。

4.2 有源濾波器

有源濾波器實(shí)現(xiàn)濾波和無(wú)功補(bǔ)償功能。

1 )優(yōu)點(diǎn):a.95%以上諧波被濾除;b.能同時(shí)濾除2次～50次諧波中15種不同諧波;c.可濾除相線和零線諧波(單相節(jié)能燈，電子整流器);d.根據(jù)設(shè)定目標(biāo)功率因數(shù)產(chǎn)生無(wú)功電流，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)補(bǔ)償(無(wú)浪涌);e.通過(guò)設(shè)定可用于改善相不平衡;f.不會(huì)形成新的諧振;g.不會(huì)過(guò)載，易于擴(kuò)展。

2 )缺點(diǎn):價(jià)格高昂。

4.3 有源濾波器+調(diào)諧電容柜

有源濾波器實(shí)現(xiàn)濾波功能和調(diào)諧電容柜實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能。

優(yōu)點(diǎn):1)95%以上諧波被濾除;2)能同時(shí)濾除2次～50次諧波中15種不同諧波;3)可濾除相線和零線諧波(單相節(jié)能燈，電子整流器);4)調(diào)諧電容柜根據(jù)設(shè)定目標(biāo)功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償;5)有源濾波器通過(guò)設(shè)定可用于改善相不平衡;6)不會(huì)形成新的諧振; 7)不會(huì)過(guò)載，易于擴(kuò)展;8)價(jià)格適中。

5 結(jié)語(yǔ)

在正常情況下，用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率，同時(shí)還需要從電源取得無(wú)功功率。如果電網(wǎng)中的無(wú)功功率供不應(yīng)求，用電設(shè)備就沒(méi)有足夠的無(wú)功功率來(lái)建立正常的電磁場(chǎng)，這些用電設(shè)備就不能維持在額定情況下工作，用電設(shè)備的端電壓就要下降，從而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。但是從發(fā)電機(jī)和高壓輸電線供給的無(wú)功功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了負(fù)荷的需要，所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無(wú)功補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率，以保證用戶(hù)對(duì)無(wú)功功率的需要，這樣用電設(shè)備才能在額定電壓下工作。無(wú)功補(bǔ)償是把具有容性功率負(fù)荷的裝置與感性功率負(fù)荷并聯(lián)接在同一電路，能量在兩種負(fù)荷之間相互交換。這樣，感性負(fù)荷所需要的無(wú)功功率可由容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率補(bǔ)償。

［1］ 楊幫文.實(shí)用電源電路集錦［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［2］ 王水平，付敏江.開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源概述［EB/OL］.中國(guó)電子網(wǎng).www.ec66.com.

［3］ 路秋生.采用UC3854的有源功率因數(shù)校正電路工作原理與應(yīng)用［Z］.北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2010.

［4］ 毛明平，吳志紅，陶生桂.有源功率因數(shù)校正技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用研究［J］.通信電源技術(shù)，2009(3)：55-56.