干熄焦配电系统谐波分析及抑制

续伟民， 昌军胜， 毕建军， 荆 琳

（安阳钢铁集团有限责任公司，河南安阳455004）

安钢集团焦化厂干熄焦工程试运行期间，提升机变频器的电流型漏电保护断路器频繁跳闸，导致提升机无法正常工作，严重影响了生产的顺利进行。

1 原因初探

漏电保护断路器每次跳闸后，经仔细检查及相关测试均未发现明显故障点，试送也均成功，但提升机加速时，则又跳闸。

排除了漏电保护断路器的定值整定、自身故障和接线错误后，综合各方面的因素，分析后认为故障的原因可能是由于变频器运行时，输出的电压中包含谐波分量。

较大的谐波电流注入变频器配电系统所致。电动机绕组与外壳之间、导线对地之间存在着较大的分布电容，这些分布电容通过导线与地、机壳与地构成漏电电流通路［1］。在电网正常供电的情况下，电源线上只有50Hz的工频电压，由于频率较低，通过分布电容的漏电流很小。但当变频器驱动电动机时，由于变频器输出的是几千赫兹的高频脉宽调制的电压波形，输出电压为快速跳变的脉动电压，对于相同的电动机同样的分布电容，漏电流会增大百倍以上，这是由变频器的工作原理决定的。同时，由于是电缆供电，分布电容较大，对高次谐波为低阻，故谐波的存在又导致漏电流剧增，致使经常误跳闸；因此，怀疑谐波是导致变频器的电流型漏电保护断路器频繁跳闸的根源，本文进行了相关点的谐波测试及分析［2］。

2 谐波测试及分析

2.1 干熄焦配电系统简介

干熄焦高压配电系统如图1所示。两段10kV母线，共有4台变压器，其中，提升机变压器均为10／0.4kV，容量均为1 000kVA，2台动力变压器的负载主要是水泵和除尘风机，提升机变压器的主要负载是4台调速电动机（2台315kW和2台37kW），提升机从启动、加速到匀速提升过程约需10s，然后是平移过程，最后是减速至零完成卸料，整个过程约持续100s。

图1 干熄焦配电系统主接线简图

2.2 谐波测试及分析

谐波测试时段：2011年3月1日10∶00至3月2日10∶00。

测试仪器：Fluke公司43B电能质量分析仪（美国Fluke公司），电压测量范围为5～600V，电流范围为0～5 000A，精度为±0.5%。

谐波测试点位置：干熄焦配电室10kV开关柜。

2011年3 月1日8∶00起变压器带载运行，至10∶00变压器二次侧所带负载全部开启，随后在干熄焦配电室做参数粗调；经过一段时间运行后，于下午进行参数细调。测试以及数据采集工作于3月2日10∶00全部完成。

测试仪器：美国Fluke公司Fluke 43B电能质量分析仪，电压测量范围为5～600V，电流范围为0～5 000A，精度为±0.5%。

测试数据分析：将谐波测试点1和测试点3数据与公用电网谐波电流极限值（GB／T 14549）（见表1）比较后可知谐波皆不超标，表2为测试点3的电流电压测试数据，与表1比较后可知，5、7、11、13次的谐波皆严重超标，需进行治理。

表1 公用电网谐波电流极限值（GB／T 14549）［3］

表2 测试点3电流电压测试数据（TA变比：150／5）

最终结论：由测试数据可以看出，电压波动较大，5.96～6.16kV 波动，且电流畸变率很高，在整个提升机的工作过程中，畸变率最高曾达到66.3%，故急需对提升机的供电支路进行谐波治理。从而也验证了“谐波是导致频繁跳闸的根源”的初诊结论。

3 应对措施及效果

3.1 常用的消谐措施及选择分析

本质上任何变频器都或多或少会产生输入谐波电流，只是程度不同而已，故常说“用好变频器治理谐波是关键”。

（1）减少回路的阻抗

谐波产生的根本原因是使用了非线性负载。由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，合成的畸变电压波形加到与此同一线路上的其他负载，引起谐波电流在其上流过；因此，减少谐波危害可通过加大电缆截面积、减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内多采用提高变压器容量、增大电缆截面积、加大中性线电缆截面、选用整定值较大的漏电保护断路器及熔断器等保护元件等办法，但这些方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，同时还加大了投资，增加了供电系统的隐患。

（2）增加变频器供电电源内阻抗

通常电源设备的内阻抗可以起到缓冲变频器直流滤波电容无功功率的作用。这种内阻抗是变压器的短路阻抗，当电源容量相对于变频器容量越小时，内阻抗值相对越大，而谐波含量越小；当电源容量相对于变频器容量越大时，内阻抗值相对越大，谐波含量就越大；因此，选择变频器供电电源变压器时，最好选择短路阻抗大的变压器。但是，刚投运即更换变压器，显然不合适［4］。

（3）安装电抗器

安装电抗器实际上是从外部增加变频器供电电源的内阻抗。在变频器的交流侧安装交流电抗器或在变频器的直流侧安装直流电抗器，或同时安装，可以抑制谐波电流。当电抗器运行时，由于周围存在较强的外漏磁场；因此，需安装在独立的空间，但干熄焦工程现场已无合适的安装场地，并且若采用电抗器则整个配电系统结构将进行大规模变更，显然也行不通。

（4）换用“绿色”变频器

采用产生谐波电流小的变频器。变频器本身不对电网造成谐波污染，即可谓“绿色”电力电子产品，这从本质上解决了谐波污染问题。但新变频器刚运行就更换，显然也不现实。

（5）加装有源滤波器［5］

利用有源滤波器检测变频器谐波电流的幅值和相位，并产生一个与谐波电流幅值相同且相位相反的电流，通到变频器中，从而可以非常有效地吸收谐波电流。有源滤波器占用空间小且无特殊要求，安装、调试时间短，比较可行。

3.2 谐波治理方案实施及效果

3.2.1 方案目标

在任意运行方式和供电情况下，吸收系统谐波电流，使配电系统的谐波电流含量与电压畸变率符合相关的国家标准或电力系统的行业标准。通过谐波电流抑制，消除对控制系统的高频电磁干扰，确保系统安全正常运行。

3.2.2 方案实施

为解决谐波对提升机系统造成的影响，考虑到方案实施的便利性及成本投入，经综合分析及充分论证，最终确定在提升机变压器低压侧进行谐波治理的方案。

由于测试的提升机变压器二次谐波电流高达207.6A，考虑到裕量，为达到最好滤波效果，经计算和论证，最终决定采用2台150A、型号为SPA 4－150A／0.4的有源电力滤波器，其主接线简图如图2所示。当有源电力滤波器因故障退出运行时，不应影响其他设备的运行，任何一种运行方式不会引起电力系统的谐振。

图2 有源电力滤波器主接线简图

投入滤波器后，电流波形从治理前的非正弦波变为平滑的正弦波。治理前后的工况情况如图3和图4所示，由图3可见，投入滤波器前相线电流畸变率为41.7%，投入后相线电流畸变率降低为3.7%；相线上的5次谐波由134.8A降为10.0A；7次谐波由47.7A降为3.2A；11次谐波由24.4A降为3.1A；13次谐波由10.7A降为1.6A。由此可以直观地看出有源电力滤波器的投入很大程度上改善了电能质量。

该滤波装置运行至今，运行稳定，满足使用要求。经过治理后，谐波电流和电流畸变率均明显降低，从而有效地保护了设备的使用安全，延长了设备的使用寿命，避免了变频器的频繁跳闸，保证了整个生产线的设备顺行。

4 结 语

图3 电流波形图

对变频器跳闸故障的及时处理，一方面确保了整个生产线的顺利运行，为生产线的维护管理提供了宝贵的经验，积累了有价值的技术资料；另一方面增强了对谐波危害性的认识；同时，也为今后相关工程的设备选型提供了可吸取的教训。今后在设备的选型、保护配置和计量装置的使用上，应充分考虑谐波对电力设施的影响，选用先进的设备，并考虑设备间的相关性。

［1］李文森.工业变频器原理及应用［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［2］李中华.游梁式抽油机井应用变频器问题浅析［J］.内江科技，2011，32（2）：114.

［3］GBT 14549—1993电能质量公用电网谐波［S］.北京：国家技术监督局，1993.

［4］马志峰.变频器的谐波危害及对策［J］.自动化技术与应用，2007，26（9）：119－120.

［5］金建新.变频器的谐波危害及其治理措施［J］.变频器世界，2010，（8）：111－113.