谐波在制药企业电网中检测与治理

翁朝晨

（西安利君制药有限责任公司，陕西西安 710077）

1 引言

随着制药企业的发展各种电力电子装置在企业大量应用，其中整流装置所占的比例最大，逆变器、直流斩波器等所需的直流电源主要来自整流电路，常用的晶闸管相控整流电路或二极管整流电路都是严重的谐波源，电气设备的单台容量虽然很小，但数量却极为庞大，其内部大都含有开关电源，各类开关电源、变频器的用量越来越多，加上荧光灯产生的谐波，使电源的谐波污染日益突出，谐波电压和谐波电流引起电源波形的严重畸变，影响到对电力用户的供电质量。电力系统中的谐波问题也日趋严重。电网谐波使得电压、电流的波形发生了畸变，使公司电力系统、用电设备出现许多异常现象和故障，产生了严重的危害和影响。对其进行有效的抑制，已成为企业电力系统安全运行工作的重要内容之一。

2 谐波产生的原因

理想的干净供电系统向用户提供的是一个恒定工频的正弦波形电压，在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。在实际的供电系统中，由于具有非线性阻抗特性的用电设备(即非线性负荷)的存在，当流过的电流与施加的电压不呈线性关系时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上基频整数倍的一系列分量，该分量统称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n = fn / f1)称为谐波次数。例如：基频为50 Hz，二次谐波为100 Hz，三次谐波则为150 Hz。应该注意，电力系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形，电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴。

3 谐波对企业电力系统设备的影响

电网谐波对系统和设备的影响主要表现在几方面。

3.1 对变压器和电动机，谐波电压使铁芯涡流损耗增加，谐波电流使铜损增加，温度上升，绝缘加速老化，降低了效率和利用率，缩短使用寿命。

3.2 在谐波电压作用下，电容器会产生额外的功率损耗，加快绝缘介质的老化。更为严重的是，大量谐波电流很可能引发电容器和系统其他元件之间的并联谐振或串联谐振，造成对某次谐波电流的放大和谐波电压的增高。这种危险的谐波过电压和过电流，不仅会使电容器超载而损坏，也会使与电容器联接的配电回路中所有线路、设备因电压闪变超压过负荷而损坏。据统计，70%以上的谐波故障发生在电容器装置上。

3.3 对电力电缆和配电线路，谐波电流频率增高引起明显的集肤效应，导线电阻增大，线损加大，发热增加，绝缘过早老化，容易发生接地短路故障，形成潜在的火灾隐患。同时，3次谐波使三相平衡负荷的N线电流显著增加。

3.4 配电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低。这是因为畸变电流过零点时，电弧电流随时间的变化率要比工频正弦电流大，电弧电压的恢复要迅速得多，使电弧容易重燃。事实表明，空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率超过50%的故障电流，还会导致断路器损坏。

3.5 谐波对电力系统的继电保护、计量仪表信号产生干扰和损害。

4 我公司供电系统分析

我公司用电系统中分6 kVⅠ段、6 kVⅡ段，在每段母线下主要负载为异步电机和动力变压器，也有同步电机，据了解同步电机与异步电机不同时使用，同步电机主要是备用（异步电机不用时），电机的参数、数量及所带负载见系统图所示：

供电系统示意图

5 我公司谐波实际测试

测试工具为FULKE43B型电能质量分析仪。

测试对象为6KVI母线侧。现场实测技术数据如下：

表1 6KV I母线侧实测技术数据

测试对象为6KVII母线侧。现场实测技术数据如下：

表2 6KV II母线侧实测技术数据

表1、表2中的数据表明，谐波电流超过国家标准3倍以上。

6 我公司的治理方案

补偿用并联电容器对谐波电压最为敏感，谐波电压加速电容器老化，缩短使用寿命。谐波电流将使电容器过负荷、出现不允许的温升，特别严重的是当电容器组与系统产生并联谐振时电流急速增加，开关跳闸、熔断器熔断、电容器无法运行。为避免并联谐振的发生，电容器串联电抗器。它的电抗率按背景谐波次数选取。电网的背景谐波为5次及以上时，宜选取4.5% ～ 6%；电网的背景谐波为3次及以上时，宜选取12%

6.1 电抗率K值的确定

6.1.1 系统中谐波很少，只是限制合闸涌流时则选K = 0.5 ～ 1%即可满足要求。它对5次谐波电流放大严重，对3次谐波放大轻微。

6.1.2 系统中谐波不可忽视时，应查明供电系统的背景谐波含量，合理确定K值。电抗率的配置应使电容器接入处谐波阻抗呈感性。电网背景谐波为5次及以上时，应配置K=4.5～6%。通常5次谐波最大，7次谐波次之，3次较小。国内外通常采用K=4.5～6%。配置K=6%的电抗器抑制5次谐波效果好，但明显的放大3次谐波及谐振点为204 Hz，与5次谐波的频率250 Hz，裕量大。配置4.5%的电抗器对3次谐波轻微放大，因此，在抑制5次及以上谐波，同时又要兼顾减小对3次谐波的放大是适宜的。它的谐振点235 Hz与5次谐波间距较小。电网背景谐波为3次及以上时应串联K=12%的电抗器。在电抗器电容器串联回路中，电抗器的感抗XLN与谐波次数成正比；电容器容抗XCN与谐波次数成反比。为了抑制5次及以上谐波。则要使5次及以上谐波器串联回路的谐振次数小于5次。这样，对于5次及以上谐波，电抗器电容器串联回路呈感性，消除了并联谐振的产生条件；对于基波，电抗器电容器串联回路呈容性，保持无功补偿作用。

6.2 电抗器的安装位置

串联电抗器无论装在电源侧或中性点侧，从限制合闸涌流和抑制谐波来说都是一样的。

电抗器装在电源侧时运行条件苛刻，因它承受短路电流的冲击，对地电压也高（相对于中性点），因而对动、热稳定要就高，铁心电抗器有铁心饱和之虑。

电抗器装在中性点侧时，对电抗器要求相对低，一般不受短路电流的冲击，动、热稳定没有特殊要求，承受的对地电压低。可见它比安装在电源侧缺少了电抗器的抗短路电流冲击的能力。

7 效益分析

7.1 改善电能质量。我公司电网净化装置能全面改善电能的质量，能滤除电网谐波，补偿无功，防止电网串并联谐振，防止电压波动和闪变，提高设备运行的可靠性，减少事故率，减少电气设备维修费用和维修时间。

7.2 降低电能损耗。由于补偿了谐波电流和无功电流，使变压器和输电线路的电流减少，变压器和输电线路的损耗减少，节约了能耗。

7.3 提高了供电能力。进行谐波补偿后，功率因数由0.8提高到0.94，谐波电流大大下降，几乎为零，提高了变压器供电能力。