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        紡織廠電力諧波的危害及治理

        2019-06-11 06:11:08王一飛袁佑新周義德邱榕鑫
        棉紡織技術(shù) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:基波變頻器電能

        王一飛 袁佑新 周義德 邱榕鑫 應(yīng) 杰

        (1.武漢理工大學(xué),湖北武漢,430070;2.中原工學(xué)院,河南鄭州,450007;3.長春工業(yè)大學(xué),吉林長春,130002; 4.南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司,江蘇南京,213000)

        隨著紡織設(shè)備向高速化、智能化、自動(dòng)化發(fā)展,紡織主機(jī)設(shè)備采用變頻器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的場所越來越多,變頻器在對紡織設(shè)備進(jìn)行工藝調(diào)速的同時(shí),在逆變過程中也會(huì)產(chǎn)生諧波。諧波對電力拖動(dòng)設(shè)備、供電系統(tǒng)的安全性、繼電保護(hù)等是有害的,并且?guī)砹祟~外的電力損耗。紡織車間使用變頻器等非線性負(fù)載設(shè)備越多,則產(chǎn)生的諧波就越嚴(yán)重,各設(shè)備產(chǎn)生的諧波相互疊加,形成與基波頻率成整數(shù)倍的高次諧波。首先,高次諧波通過電力設(shè)備在工作中向車間供電系統(tǒng)反饋高次諧波,導(dǎo)致車間供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變,使電能質(zhì)量變壞甚至惡化;其次,高次諧波在車間供電系統(tǒng)與設(shè)備之間以及設(shè)備與設(shè)備之間穿梭,造成設(shè)備(電機(jī)、變壓器、電容器、電纜等)額外發(fā)熱、振動(dòng),使用效率降低,額外損耗電能。紡織廠屬于多機(jī)臺、長時(shí)間連續(xù)工作車間,機(jī)臺產(chǎn)生諧波后通過多次疊加就越嚴(yán)重,所以紡織廠諧波治理是保證用戶電網(wǎng)電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50481—2009《棉紡織工廠設(shè)計(jì)規(guī)范》針對紡織企業(yè)的實(shí)際情況,對紡織車間諧波治理提出了專門要求,其中第8.6.2條規(guī)定:紡織車間諧波治理宜根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)際情況和電力部門的要求采取治理措施,采用無源或有源濾波器以及其他新型諧波抑制與治理的裝置[1]。由于紡織主機(jī)設(shè)備近幾年才大量應(yīng)用變頻器調(diào)速,大多數(shù)企業(yè)對諧波的產(chǎn)生、危害性認(rèn)識不足,治理范圍和效果還很有限。本文針對紡織廠諧波的產(chǎn)生及危害情況進(jìn)行分析,并根據(jù)同類型設(shè)備的諧波治理經(jīng)驗(yàn),提出紡織廠諧波有效治理的技術(shù)方案及措施,以提高紡織車間電能的有效利用率。在保證電力系統(tǒng)設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上,提高電能質(zhì)量,綜合節(jié)約能源。

        1 紡織車間諧波的危害

        紡織車間諧波的主要危害表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一,電力諧波對電機(jī)的危害。使電機(jī)產(chǎn)生額外的鐵損與銅損,影響電機(jī)的機(jī)械效率,使電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲,影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定,增加電機(jī)額外的電力損耗;使電機(jī)轉(zhuǎn)子造成局部明顯的發(fā)熱,縮短其使用壽命或被迫降容運(yùn)行。第二,電力諧波對供電系統(tǒng)的危害。會(huì)使供電系統(tǒng)斷路器的開斷能力降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作,產(chǎn)生誤動(dòng)作,造成跳閘故障;使控制系統(tǒng)失靈,運(yùn)行不穩(wěn)定;降低用電設(shè)備的有效容量和效率;降低系統(tǒng)功率因數(shù),增加電能損失,增加電力設(shè)施負(fù)荷。第三,電力諧波對電容器的危害。補(bǔ)償電容器會(huì)因?yàn)槲罩C波電流,引發(fā)過載發(fā)熱,降低壽命;使電壓升高過載、使電容器過電壓、過電流、熔斷器熔斷;使電容器柜無法投入、無功無法補(bǔ)償;嚴(yán)重時(shí)引起諧波諧振,加速電容器老化和損壞,甚至產(chǎn)生火災(zāi)。第四,電力諧波對變壓器的危害。對車間變壓器產(chǎn)生附加損耗,增加了銅損、磁損、鐵損,從而引起過熱,使絕緣介質(zhì)老化導(dǎo)致絕緣損壞,同時(shí)產(chǎn)生更大的噪聲,增加了額外電力損耗。第五,電力諧波對電纜的危害。在導(dǎo)體中諧波電流所產(chǎn)生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較,則諧波電流會(huì)產(chǎn)生較高的額外熱量使溫升更快。該額外溫升是由集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所引起的,這兩種效應(yīng)如同增加導(dǎo)體交流電阻,進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗增加。電力諧波長期在線路中穿梭會(huì)導(dǎo)致電力電纜老化速度加快,老化到一定程度就會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象,是生產(chǎn)安全的嚴(yán)重隱患。第六,諧波特別對設(shè)備中的電子設(shè)備、繼電保護(hù)、通訊電路等產(chǎn)生影響,造成通信干擾,使繼電保護(hù)誤動(dòng)作、計(jì)量儀表不準(zhǔn)確。

        2 紡織車間諧波的產(chǎn)生原因及特點(diǎn)

        紡織車間的諧波主要由變頻器、照明熒光燈電子鎮(zhèn)流器、各種開關(guān)電源等非線性設(shè)備(負(fù)載)產(chǎn)生,這些設(shè)備在工作中向供電系統(tǒng)反饋高次諧波,導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變,使電能質(zhì)量變壞。由于近幾年紡織設(shè)備向高速自動(dòng)化發(fā)展,變頻器等調(diào)速設(shè)備被大量采用,產(chǎn)生的諧波現(xiàn)象也越嚴(yán)重。由于傳統(tǒng)的設(shè)備采用變頻器較少,產(chǎn)生諧波也較少,對電網(wǎng)影響不大,這也是紡織行業(yè)對諧波治理認(rèn)識不足的原因。紡織車間通常采用分車間區(qū)域變壓器供電方案,所用的主機(jī)設(shè)備功率多在3 kW~75 kW。檢測結(jié)果表明,紡織車間產(chǎn)生的諧波主要是5次諧波。根據(jù)GB 17625.6—2003《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設(shè)備在低壓供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流的限制》中規(guī)定,5次諧波電流占基波電流有效值的比例應(yīng)不大于10.7%[2],但檢測有的紡織車間諧波電流已經(jīng)達(dá)到25%以上。電網(wǎng)質(zhì)量嚴(yán)重下降,造成控制元件經(jīng)常誤動(dòng)作,主機(jī)設(shè)備無故停車,生產(chǎn)效率下降,車間管理人員找不出原因。圖1和圖2分別表示某紡織企業(yè)新老車間變壓器低壓母線側(cè)基波波形和5次諧波電流數(shù)值和比例??梢钥闯?,圖1老車間由于多采用傳統(tǒng)的紡織設(shè)備,變頻器用的不多,故產(chǎn)生的諧波電流量不大,只有25.9 A,占基波電流的比例為2.6%。圖2新車間近幾年采用了新型的紡織設(shè)備,變頻器用的較多,故諧波電流較大,達(dá)到139.6 A,占基波電流的比例為21.7%,大大超過國家電網(wǎng)的限定標(biāo)準(zhǔn)。

        3 電力諧波的治理方法

        目前現(xiàn)有的諧波抑制或治理方法主要分為有源濾波、無源濾波、動(dòng)態(tài)諧波治理等方案,各種方案的主要特點(diǎn)如下。

        3.1 有源濾波方法

        有源濾波器是由電力電子元件和數(shù)字信號處理等構(gòu)成的電能變換設(shè)備。其工作原理是通過有源濾波器產(chǎn)生幅值大小和相位均與母線上電壓(電流)諧波相反的諧波源,將母線上的諧波電壓(電流)抵消,補(bǔ)償后的電壓(電流)波形幾乎為純正弦波。其行為模式是主動(dòng)式電壓(電流)源輸出。工作原理示意圖見圖3。

        有源濾波方法的特點(diǎn)是可濾除2次~50次電壓諧波,保障供電可靠性、降低干擾、提高電能質(zhì)量、過載能力強(qiáng);串聯(lián)有源濾波器主要抑制電壓諧波,并聯(lián)有源濾波器主要抑制電流諧波;有源濾波方法主要是抑制諧波,不能吸收諧波電流(不能降低電流有效值)。有源濾波方法的缺點(diǎn)是處理的容量小,設(shè)備造價(jià)高,在大容量場合無法使用,主要應(yīng)用于信號通訊、醫(yī)療設(shè)備等用電功率較小,對諧波要求高,要求干擾因素小的領(lǐng)域[3]。

        3.2 無源濾波方法

        無源濾波器主要由電容器和電抗器組成串聯(lián)LC諧振電路,其諧振頻率設(shè)定為與需要濾除某主次諧波頻率相接近,對相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流,使主次諧波大部分流入無源濾波器,從而起到濾波的目的。其行為模式是提供被動(dòng)式諧波電流旁通通道。工作原理示意圖見圖4。

        無源濾波器能濾除高次諧波,改善電流和電壓波形,提高電能質(zhì)量,提高設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性,具有適用功率大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可靠、運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)。

        無源濾波方法缺點(diǎn)是LC參數(shù)無法連續(xù)調(diào)控,諧振頻率精度不高,受參數(shù)離散化影響,使諧振點(diǎn)偏移,濾波效果較差。并且過載能力差,濾波效果隨著負(fù)載的變化而變化,只能濾除某頻率范圍內(nèi)的諧波,并受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重,存在諧波放大和共振的危險(xiǎn)。主要適用于鋼鐵、石油、煤礦、建材等大容量、單機(jī)臺場所的諧波治理。

        3.3 電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法

        電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法(由武漢理工大學(xué)研究提出)具有抑制諧波電壓(電流)波形和吸收諧波電流的雙重特性,通過吸收諧波電流實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)電。電力諧波動(dòng)態(tài)治理節(jié)電裝置(武漢理工大學(xué)提供技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方案,南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司生產(chǎn))由電磁耦合能量變換器、電能變換器、基波/諧波變換器、諧波治理智能控制系統(tǒng)以及諧波、基波、無功電流檢測等部分組成[4-5]。電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法及其裝置實(shí)時(shí)檢測電力諧波與無功電流、實(shí)時(shí)跟蹤電力諧波變化態(tài)勢、動(dòng)態(tài)調(diào)控電磁耦合能量和電能變換與基波/諧波變換效率;諧波智能控制算法通過諧波智能控制系統(tǒng)控制基波電流與主次諧波電流關(guān)聯(lián)度、補(bǔ)償基波無功、控制諧波電流吸收率和節(jié)電效率。該方法在動(dòng)態(tài)治理吸收諧波電流和抑制諧波電壓的同時(shí),使變壓器二次母排交流基波電流和交流電流有效值同步降低,實(shí)現(xiàn)了諧波動(dòng)態(tài)治理及節(jié)電[6]。電力諧波動(dòng)態(tài)治理節(jié)電裝置原理示意圖見圖5。

        諧波動(dòng)態(tài)治理方法及裝置,通過控制基波電流與諧波電流的特征值和關(guān)聯(lián)度,吸收諧波電流、抑制諧波電壓、補(bǔ)償基波、降低基波電流和電流有效值,實(shí)現(xiàn)諧波動(dòng)態(tài)治理智能控制及綜合節(jié)電。該方法針對性濾除主次諧波,尤其對5次、7次等諧波電流的綜合濾波效果更佳,改善電流電壓波形,提高電能質(zhì)量,治理諧波源對電網(wǎng)的污染,提高功率因數(shù)和設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性,降低電耗[7],并且性價(jià)比高,投資回收期短。

        諧波動(dòng)態(tài)治理方法適合于中大容量、多機(jī)臺變頻器拖動(dòng)、非線性負(fù)荷變化影響因素較多,對諧波電流治理要求較高的場所。由于紡織車間屬于多機(jī)臺、大功率、長時(shí)間用電設(shè)備場所,需要常年連續(xù)運(yùn)行,工作中又根據(jù)工藝變化需不斷進(jìn)行調(diào)速,產(chǎn)生諧波的地理位置分散、變化范圍大,負(fù)載疊加復(fù)雜,疊加形成的諧波電流大,治理難度大。需要采用實(shí)時(shí)跟蹤電力諧波變化,實(shí)時(shí)檢測電力諧波與無功電流,動(dòng)態(tài)治理諧波。因此,采用諧波動(dòng)態(tài)治理方法效果較好。

        4 紡織車間諧波治理方案

        由于成本的原因,紡織廠所用的變頻器多為低電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變頻器,這種變頻器主要產(chǎn)生5次、7次電力諧波,且5次電力諧波含量最高,對供電系統(tǒng)的危害也最大[8]。根據(jù)對多家紡織廠的檢測數(shù)據(jù)得知,紡織車間粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒車間,由于采用變頻設(shè)備較多,運(yùn)行中速度調(diào)節(jié)頻繁,產(chǎn)生的電力諧波也最嚴(yán)重。紡織主機(jī)設(shè)備采用由變壓器主母線排、低壓配電柜通過車間動(dòng)力柜供電,設(shè)備產(chǎn)生的諧波會(huì)通過母線排直接影響各用電設(shè)備,造成整個(gè)電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。

        對某紡織企業(yè)各配電所變壓器母線排進(jìn)行有效值電流和諧波電流檢測,主要檢測結(jié)果見表1。

        表1 車間變壓器母線排有效電流及諧波電流值

        從表1可以看出,新車間由于安裝新型紡織設(shè)備,采用變頻器較多,多數(shù)回路5次諧波電流超過10.7%的標(biāo)準(zhǔn),需要治理。根據(jù)在其他行業(yè)進(jìn)行諧波治理的經(jīng)驗(yàn),紡織廠諧波電流超過電流有效值的15%時(shí),諧波治理效果最佳。項(xiàng)目以新廠2-1#-101變壓器為例,采用武漢理工大學(xué)和南京康迪欣電氣成套設(shè)備有限公司聯(lián)合生產(chǎn)的諧波動(dòng)態(tài)濾波節(jié)能裝置,針對該回路研制的DTXB型動(dòng)態(tài)諧波濾波節(jié)能裝置,安裝于車間變配電室補(bǔ)償柜前端。諧波動(dòng)態(tài)濾波節(jié)能裝置電氣接線原理圖見圖6。

        設(shè)備安裝后,通過調(diào)試整定參數(shù),投入運(yùn)行。諧波動(dòng)態(tài)濾波節(jié)能裝置投入運(yùn)行前、后測得的母線側(cè)波形和電流值分別見圖2和圖7。諧波治理前、后節(jié)電效果比較見表2。

        由表2可以看出,在電力諧波動(dòng)態(tài)治理裝置投入運(yùn)行后,可使低壓母線側(cè)5次諧波電流值平均下降52.2%,低壓母線側(cè)有效電流降低8%。電流有效值的減少,就意味著電能消耗的減少,讓紡織企業(yè)購來的電能可充分用在做有用功方面。同時(shí)由于諧波電流的減少,電網(wǎng)電能質(zhì)量明顯改善,吸收的諧波電流轉(zhuǎn)換成基波電流,使功率因數(shù)提高。設(shè)備發(fā)熱現(xiàn)象大大減輕,設(shè)備誤動(dòng)作和無故停電事故減少,電機(jī)、變壓器等設(shè)備振動(dòng)與噪聲降低,電容器發(fā)熱降低,供電安全性增加。

        表2 新廠2-1#-101變壓器低壓進(jìn)線側(cè)濾波裝置投運(yùn)前后測量結(jié)果比較

        5 結(jié)論

        (1)紡織車間由于大量采用變頻器調(diào)速設(shè)備和照明等非線性設(shè)備,會(huì)產(chǎn)生大量5次諧波。諧波會(huì)造成額外能耗,并造成電力元器件發(fā)熱、干擾控制信號,造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作甚至無故停車,并影響整個(gè)電網(wǎng)電能質(zhì)量,造成電網(wǎng)供電環(huán)境污染,增加電能損耗。因此,需要進(jìn)行科學(xué)的諧波治理。

        (2)現(xiàn)有有源和無源諧波治理方案由于治理的目標(biāo)和功能不同,用在紡織企業(yè)作為諧波電流治理效果不佳。

        (3)電力諧波動(dòng)態(tài)治理方法通過控制基波電流與諧波電流的特征值和關(guān)聯(lián)度,吸收諧波電流補(bǔ)償基波、降低基波電流和電流有效值,適用于紡織廠多機(jī)臺、大功率、負(fù)荷變化復(fù)雜場所,治理效果較好。投入使用后可以使低壓母線側(cè)有效電流降低5%以上,低壓母線側(cè)5次諧波電流值下降50%以上,并能提高整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量,提高功率因數(shù),減少電力安全事故。企業(yè)的電能利用率提高5%,可減少變壓器負(fù)荷或在變壓器不增容的情況下增加安裝機(jī)臺。

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