時(shí)間:2014-12-22 15:42:19來(lái)源:吳海英
(安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801)
摘要:隨著電力電子變流裝置的應(yīng)用日益廣泛,電能得到了更加充分的利用,但非線(xiàn)性電力裝置設(shè)備的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波,諧波污染越來(lái)越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,給同一網(wǎng)絡(luò)的線(xiàn)性負(fù)載和其它用戶(hù)帶來(lái)了極大影響。煙草工業(yè)在生產(chǎn)制造過(guò)程中,使用大量的變頻器進(jìn)行調(diào)速,變頻器所產(chǎn)生的諧波,對(duì)廠(chǎng)區(qū)配電室的供電網(wǎng)造成了一定的影響。本文通過(guò)分析諧波的危害,并提出采用有源電力濾波器進(jìn)行某卷煙廠(chǎng)諧波治理的方案。
關(guān)鍵詞: 諧波;污染;有源電力濾波器;治理;卷煙廠(chǎng)
1、諧波的危害
變頻器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流,諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降,會(huì)使電壓波形也變成非正弦。這樣,連接在同一點(diǎn)的其他設(shè)備上就會(huì)被施加了含有諧波成分的非正弦電壓,致使一些敏感設(shè)備無(wú)法正常工作。諧波對(duì)企業(yè)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)使電力元件附加損耗加大,易引發(fā)火災(zāi)
諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗,降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過(guò)中線(xiàn)會(huì)使線(xiàn)路過(guò)熱,甚至引起火災(zāi)。
(2)影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行
諧波會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作,使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲等;使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱;使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短,以致?lián)p壞。
(3)引起電網(wǎng)諧振
這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍,會(huì)對(duì)系統(tǒng),特別是對(duì)電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅,經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。
(4)使繼電保護(hù)誤動(dòng)作,電氣測(cè)量誤差過(guò)大。
諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù),特別是微機(jī)綜合保護(hù)器與自動(dòng)裝置誤動(dòng)作,造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。諧波還會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確,產(chǎn)生計(jì)量誤差,給用電管理部門(mén)或電力用戶(hù)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。
(5)使工控系統(tǒng)崩潰
臨近的諧波源或較高次諧波會(huì)對(duì)通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾,輕則產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量、計(jì)算機(jī)無(wú)法正常工作,重則導(dǎo)致信息丟失,使工控系統(tǒng)崩潰。
諧波所產(chǎn)生的危害如此之嚴(yán)重,世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分關(guān)注。國(guó)際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議,不少?lài)?guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值和諧波電流允許值分別見(jiàn)表1-1和表1-2:
表1-1 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值
傳統(tǒng)的LC無(wú)源調(diào)諧濾波器的方法可以降低諧波電流,又可以補(bǔ)償無(wú)功功率,而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,故一直被廣泛使用,但這種方法的最大缺點(diǎn)就是其性能要受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振,導(dǎo)致諧波電壓放大,如果保護(hù)措施不得力,甚至使LC濾波器過(guò)載或燒毀。有源電力濾波器(APF:Active Power Filter)是“用戶(hù)電力技術(shù)”中一種非常重要的裝置,它能抑制電流諧波及閃變等,用以補(bǔ)償負(fù)荷電流中的諧波和無(wú)功,使電源側(cè)電流保持為正弦波,從而防止諧波對(duì)電網(wǎng)的污染和提高功率因數(shù)。這種補(bǔ)償器主要用在對(duì)非線(xiàn)性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波源進(jìn)行治理。
安科瑞電氣股份有限公司開(kāi)發(fā)的ANAPF系列有源電力濾波器,采用實(shí)時(shí)的檢測(cè)方法,得到電網(wǎng)電壓或電流中的波動(dòng)、不對(duì)稱(chēng)、諧波等畸變分量,利用快速的電力電子功率器件(IGBT)產(chǎn)生與其相反的波形,再將其抵消掉。原理如圖2-1所示:
圖2-1 ANAPF有源電力濾波器原理圖
3、有源濾波案例
某卷煙廠(chǎng)動(dòng)能車(chē)間卷接配電室,配置兩臺(tái)2000KVA的干式變壓器,由于其負(fù)卷包車(chē)間使用了大量變頻器,曾引起電抗器損壞、低壓開(kāi)關(guān)燒毀,我們使用FLUKE434電能質(zhì)量分析儀對(duì)其中一臺(tái)變壓器負(fù)載進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試點(diǎn)位于電容補(bǔ)償后負(fù)載前的母排,測(cè)量發(fā)現(xiàn)變壓器副邊側(cè)5次電流諧波達(dá)到148A,7次諧波電流達(dá)到45A,從波形上明顯看到畸變嚴(yán)重。總電流為746A,畸變率為22.2%,總的諧波電流可以計(jì)算出為746×22.2%=165.61A。
治理方案:在變壓器副邊側(cè)并聯(lián)接入200A有源電力濾波器對(duì)其諧波進(jìn)行集中治理,使系統(tǒng)正常運(yùn)行不受諧波危害。方案如圖3-1所示。
圖3-1 ANAPF集中治理方案圖
安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3-1和表3-2。
表3-1 ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數(shù)
注:以上技術(shù)參數(shù)或器件名稱(chēng)、數(shù)量如有更改,恕不另行通知。
4 諧波治理效果
安裝200A有源電力濾波器后,電流畸變率得到大幅度下降,電流波形圖由投入前的不規(guī)則變?yōu)橥度牒蟮慕咏也āV卫砬昂蟛ㄐ稳鐖D4-1所示。同時(shí)功率因數(shù)得到提高,減少了線(xiàn)路的功率損失,提高了電網(wǎng)輸電效率,可節(jié)約電能,降低生產(chǎn)成本,減少企業(yè)的電費(fèi)開(kāi)支。
圖4-1 治理前后波形對(duì)比
5、諧波治理經(jīng)濟(jì)效益
配電系統(tǒng)中無(wú)功主要靠無(wú)功柜補(bǔ)償,但是諧波對(duì)無(wú)功柜內(nèi)電容的損害非常嚴(yán)重。電容器的壽命跟加在電容上的電壓、電容運(yùn)行環(huán)境溫度和電容器投切次數(shù)密切相關(guān)。根據(jù)著名電容器廠(chǎng)商EPCOS的測(cè)試數(shù)據(jù),電容器運(yùn)行壽命可以用以下公式表示:
其中LE為電容實(shí)際運(yùn)行壽命;LEn是電容器期望壽命;Xv是電壓系數(shù);Xt是溫度系數(shù);Xs是投切系數(shù)。系數(shù)關(guān)系表如表5-1:
表5-1 電容實(shí)際壽命與電壓、溫度及切頭次數(shù)關(guān)系
在諧波環(huán)境下工作的電容,由于電容對(duì)諧波呈低阻抗特性,所以首先溫度會(huì)大大上升,溫度Xt將變?。挥捎谟兄C波會(huì)產(chǎn)生壓降,為提高功率因數(shù),電容電壓必須大于線(xiàn)電壓,這導(dǎo)致電壓系數(shù)Xv也變??;另外高溫會(huì)導(dǎo)致電容容值下降,為保證功率因數(shù),電容投切次數(shù)必然上升,切投系數(shù)Xs同時(shí)減小。因此根據(jù)上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn,也即在諧波環(huán)境下工作的電容壽命為正常環(huán)境下電容壽命的十分之一!
由于諧波環(huán)境下電容器更容易損壞,頻繁的更換電容直接導(dǎo)致硬件成本的上升;另外電容柜是供電系統(tǒng)中提供無(wú)功最大的電器柜,電容出現(xiàn)故障必然會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降,繼而會(huì)因功率因數(shù)低而被罰款。以電容正常壽命5年計(jì)算,在諧波環(huán)境下運(yùn)行的電容半年就要更換。該卷煙廠(chǎng)每臺(tái)變壓器配有無(wú)功ABB電容器,單個(gè)25Kvar,共800kvar。ABB電容器價(jià)格在2000元左右,在與該卷煙廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員交流中了解到,平均每月都會(huì)更換一個(gè)電容。也即一年僅更換電容就有24000元的經(jīng)濟(jì)損失。由于諧波影響,電容壽命為正常壽命的十分之一,也即更換頻率為正常的10倍!這并不包括由于電容容量的降低使得功率因數(shù)低而罰款和這期間各種其他間接損失。由此可以看出諧波產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。
6 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái),變頻器因其驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能明顯、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于大量工廠(chǎng),但同時(shí)因其非線(xiàn)性工作方式產(chǎn)生的高次諧波也給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來(lái)了一定的影響,其危害已不可忽視。對(duì)于電能質(zhì)量要求越來(lái)越嚴(yán)格的今天,并聯(lián)型有源電力濾波器是一種特別適合煙草行業(yè)諧波治理的優(yōu)秀方案。ANAPF有源電力濾波器能很好的抑制電網(wǎng)中的諧波污染,極大改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量,良好滿(mǎn)足設(shè)備的運(yùn)行要求和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)
[1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994.
[2]王萍.諧波治理在卷煙行業(yè)變配電中的應(yīng)用.
[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊(cè)2014.1版.
作者簡(jiǎn)介:
吳海英,女,本科,安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹爸C波治理。手機(jī):18702111625,座機(jī):021-33510314,QQ:2880157856
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