王一飛 袁佑新 周義德 邱榕鑫 應 杰

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

隨著紡織設備向高速化、智能化、自動化發(fā)展，紡織主機設備采用變頻器驅動交流電機的場所越來越多，變頻器在對紡織設備進行工藝調速的同時，在逆變過程中也會產生諧波。諧波對電力拖動設備、供電系統的安全性、繼電保護等是有害的,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載設備越多，則產生的諧波就越嚴重，各設備產生的諧波相互疊加，形成與基波頻率成整數倍的高次諧波。首先，高次諧波通過電力設備在工作中向車間供電系統反饋高次諧波，導致車間供電系統的電壓、電流波形畸變，使電能質量變壞甚至惡化；其次，高次諧波在車間供電系統與設備之間以及設備與設備之間穿梭，造成設備(電機、變壓器、電容器、電纜等)額外發(fā)熱、振動，使用效率降低，額外損耗電能。紡織廠屬于多機臺、長時間連續(xù)工作車間，機臺產生諧波后通過多次疊加就越嚴重，所以紡織廠諧波治理是保證用戶電網電力質量的重要指標之一。國家標準GB 50481—2009《棉紡織工廠設計規(guī)范》針對紡織企業(yè)的實際情況，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建設項目的實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]。由于紡織主機設備近幾年才大量應用變頻器調速，大多數企業(yè)對諧波的產生、危害性認識不足，治理范圍和效果還很有限。本文針對紡織廠諧波的產生及危害情況進行分析,并根據同類型設備的諧波治理經驗，提出紡織廠諧波有效治理的技術方案及措施，以提高紡織車間電能的有效利用率。在保證電力系統設備安全運行的基礎上，提高電能質量，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在以下幾個方面。第一，電力諧波對電機的危害。使電機產生額外的鐵損與銅損，影響電機的機械效率，使電機產生振動及噪聲，影響電機的轉矩穩(wěn)定，增加電機額外的電力損耗；使電機轉子造成局部明顯的發(fā)熱，縮短其使用壽命或被迫降容運行。第二，電力諧波對供電系統的危害。會使供電系統斷路器的開斷能力降低，嚴重時會使某些斷路器的磁吹線圈不能正常工作，產生誤動作，造成跳閘故障；使控制系統失靈，運行不穩(wěn)定；降低用電設備的有效容量和效率；降低系統功率因數，增加電能損失，增加電力設施負荷。第三，電力諧波對電容器的危害。補償電容器會因為吸收諧波電流，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、無功無法補償；嚴重時引起諧波諧振，加速電容器老化和損壞，甚至產生火災。第四，電力諧波對變壓器的危害。對車間變壓器產生附加損耗，增加了銅損、磁損、鐵損,從而引起過熱，使絕緣介質老化導致絕緣損壞，同時產生更大的噪聲，增加了額外電力損耗。第五，電力諧波對電纜的危害。在導體中諧波電流所產生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較，則諧波電流會產生較高的額外熱量使溫升更快。該額外溫升是由集膚效應和鄰近效應所引起的，這兩種效應如同增加導體交流電阻，進而導致損耗增加。電力諧波長期在線路中穿梭會導致電力電纜老化速度加快，老化到一定程度就會發(fā)生自燃現象，是生產安全的嚴重隱患。第六，諧波特別對設備中的電子設備、繼電保護、通訊電路等產生影響，造成通信干擾，使繼電保護誤動作、計量儀表不準確。

2 紡織車間諧波的產生原因及特點

紡織車間的諧波主要由變頻器、照明熒光燈電子鎮(zhèn)流器、各種開關電源等非線性設備(負載)產生，這些設備在工作中向供電系統反饋高次諧波，導致供電系統的電壓、電流波形畸變，使電能質量變壞。由于近幾年紡織設備向高速自動化發(fā)展，變頻器等調速設備被大量采用，產生的諧波現象也越嚴重。由于傳統的設備采用變頻器較少，產生諧波也較少，對電網影響不大，這也是紡織行業(yè)對諧波治理認識不足的原因。紡織車間通常采用分車間區(qū)域變壓器供電方案，所用的主機設備功率多在3 kW～75 kW。檢測結果表明，紡織車間產生的諧波主要是5次諧波。根據GB 17625.6—2003《電磁兼容限值對額定電流大于16A的設備在低壓供電系統中產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不大于10.7%[2]，但檢測有的紡織車間諧波電流已經達到25%以上。電網質量嚴重下降，造成控制元件經常誤動作，主機設備無故停車，生產效率下降，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基波波形和5次諧波電流數值和比例。可以看出，圖1老車間由于多采用傳統的紡織設備，變頻器用的不多，故產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備，變頻器用的較多，故諧波電流較大，達到139.6 A，占基波電流的比例為21.7%，大大超過國家電網的限定標準。

3 電力諧波的治理方法

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

3.1 有源濾波方法

有源濾波器是由電力電子元件和數字信號處理等構成的電能變換設備。其工作原理是通過有源濾波器產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，補償后的電壓(電流)波形幾乎為純正弦波。其行為模式是主動式電壓(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、提高電能質量、過載能力強；串聯有源濾波器主要抑制電壓諧波，并聯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是處理的容量小，設備造價高，在大容量場合無法使用，主要應用于信號通訊、醫(yī)療設備等用電功率較小，對諧波要求高，要求干擾因素小的領域[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LC諧振電路，其諧振頻率設定為與需要濾除某主次諧波頻率相接近，對相應頻率諧波電流進行分流，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，提高電能質量，提高設備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，具有適用功率大、結構簡單、成本低廉、運行可靠、運行費用較低等特點。

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

3.3 電力諧波動態(tài)治理方法

電力諧波動態(tài)治理方法(由武漢理工大學研究提出)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現綜合節(jié)電。電力諧波動態(tài)治理節(jié)電裝置(武漢理工大學提供技術及實現方案，南京康迪欣電氣成套設備有限公司生產)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以及諧波、基波、無功電流檢測等部分組成[4-5]。電力諧波動態(tài)治理方法及其裝置實時檢測電力諧波與無功電流、實時跟蹤電力諧波變化態(tài)勢、動態(tài)調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控制基波電流與主次諧波電流關聯度、補償基波無功、控制諧波電流吸收率和節(jié)電效率。該方法在動態(tài)治理吸收諧波電流和抑制諧波電壓的同時，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，實現了諧波動態(tài)治理及節(jié)電[6]。電力諧波動態(tài)治理節(jié)電裝置原理示意圖見圖5。

諧波動態(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聯度，吸收諧波電流、抑制諧波電壓、補償基波、降低基波電流和電流有效值，實現諧波動態(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，提高電能質量，治理諧波源對電網的污染，提高功率因數和設備的安全性、穩(wěn)定性和可靠性，降低電耗[7]，并且性價比高，投資回收期短。

諧波動態(tài)治理方法適合于中大容量、多機臺變頻器拖動、非線性負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臺、大功率、長時間用電設備場所，需要常年連續(xù)運行，工作中又根據工藝變化需不斷進行調速，產生諧波的地理位置分散、變化范圍大，負載疊加復雜，疊加形成的諧波電流大，治理難度大。需要采用實時跟蹤電力諧波變化，實時檢測電力諧波與無功電流，動態(tài)治理諧波。因此，采用諧波動態(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撲結構的變頻器，這種變頻器主要產生5次、7次電力諧波，且5次電力諧波含量最高，對供電系統的危害也最大[8]。根據對多家紡織廠的檢測數據得知，紡織車間粗紗、細紗、絡筒車間，由于采用變頻設備較多，運行中速度調節(jié)頻繁，產生的電力諧波也最嚴重。紡織主機設備采用由變壓器主母線排、低壓配電柜通過車間動力柜供電，設備產生的諧波會通過母線排直接影響各用電設備，造成整個電網電能質量下降。

對某紡織企業(yè)各配電所變壓器母線排進行有效值電流和諧波電流檢測,主要檢測結果見表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備，采用變頻器較多，多數回路5次諧波電流超過10.7%的標準，需要治理。根據在其他行業(yè)進行諧波治理的經驗，紡織廠諧波電流超過電流有效值的15%時，諧波治理效果最佳。項目以新廠2-1#-101變壓器為例，采用武漢理工大學和南京康迪欣電氣成套設備有限公司聯合生產的諧波動態(tài)濾波節(jié)能裝置，針對該回路研制的DTXB型動態(tài)諧波濾波節(jié)能裝置，安裝于車間變配電室補償柜前端。諧波動態(tài)濾波節(jié)能裝置電氣接線原理圖見圖6。

設備安裝后，通過調試整定參數，投入運行。諧波動態(tài)濾波節(jié)能裝置投入運行前、后測得的母線側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，在電力諧波動態(tài)治理裝置投入運行后，可使低壓母線側5次諧波電流值平均下降52.2%，低壓母線側有效電流降低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。同時由于諧波電流的減少，電網電能質量明顯改善，吸收的諧波電流轉換成基波電流，使功率因數提高。設備發(fā)熱現象大大減輕，設備誤動作和無故停電事故減少，電機、變壓器等設備振動與噪聲降低，電容器發(fā)熱降低，供電安全性增加。

表2 新廠2-1#-101變壓器低壓進線側濾波裝置投運前后測量結果比較

5 結論

(1)紡織車間由于大量采用變頻器調速設備和照明等非線性設備，會產生大量5次諧波。諧波會造成額外能耗，并造成電力元器件發(fā)熱、干擾控制信號，造成繼電保護裝置誤動作甚至無故停車，并影響整個電網電能質量，造成電網供電環(huán)境污染，增加電能損耗。因此，需要進行科學的諧波治理。

(2)現有有源和無源諧波治理方案由于治理的目標和功能不同，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聯度，吸收諧波電流補償基波、降低基波電流和電流有效值，適用于紡織廠多機臺、大功率、負荷變化復雜場所,治理效果較好。投入使用后可以使低壓母線側有效電流降低5%以上，低壓母線側5次諧波電流值下降50%以上,并能提高整個電網的電能質量，提高功率因數，減少電力安全事故。企業(yè)的電能利用率提高5%，可減少變壓器負荷或在變壓器不增容的情況下增加安裝機臺。