化工厂谐波分析与治理

张俊华 张汝山

（宁波万华聚氨酯有限公司，浙江 宁波 315812）

随着科学技术的进步，在生产机械、办公设备、家用电器中，大量使用整流设备；如：电化学工业、变频调速、直流电源、计算机、节能灯、电视机等。这些设备在运行使用过程中会产生大量的谐波电流，注入电网。电网中的谐波过大，会产生一系列的严重问题，如：增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能损失；引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化；使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差，干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行等等。

1 背景

宁波万华聚氨酯有限公司某一装置3#、4#变压器下的全部是变频器拖动的设备。在整流器输入电流中有相当数量的谐波的存在，其中整流器为6脉冲整流器，根据整流原理，在工作过程中会产生很大的非正弦畸变电流，对电网造成严重干扰，并导致 690V母线端产生畸变，为净化电网，消除谐波危害，现就低压母线侧（0.69kV）进行谐波分析和治理（如图1所示）。

图1 电气主接线图

由于非线性负载（变频器）容量很大，导致大量谐波产生，且谐波种类复杂同时谐波含量变化较快使电力系统电能质量严重下降，给化工生产带来一系列问题，为建立一个安全可靠的配电系统及提高电力系统质量，在系统中测量点1、2分别进行了谐波测量。电压电流波形发生了较大的畸形，如图2、3所示的电流电压波形。

图2 测量点1电压电流波形

图3 测量点2电压电流波形

测量数据主要针对基波、5、7、11、13次谐波进行了统计，测量结果如下，见表1、表2。

表1 （测量点1）

表2 （测量点2）

为了保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，国家以及电力公司制定了相应的谐波标准，如《电能质量公用电网谐波》 GB/T14549-93谐波限制标准（见表3），GB/T14549-93是现行电力谐波监督管理的国家标准，要求电网各级电压谐波水平不超过国标限值外，还要求用户注入公用电网的谐波电流不超出国标允许值，否则应采取治理措施。公用电网谐波电压（相电压）限值见表3。

表3

公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表4中规定的允许值。当电网公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，按下式修正。

换算修正后见表4。

表4

测量结果表明，测量点1的电压畸变率为6.07%，超过表3中的国标5%，电流谐波5次为471.1A（国标 204.6A），7次 113.8A（145.2），11次 83.4A（92.4A），13次47.1A（79.2A）其中5次谐波最为突出，为国家标准的 2.3倍，其他谐波电流在标准范围内。测量点 2电压畸变率为 6.20%，超过表 3中的国标 5%。电流谐波 5次为 336.8A（国标204.6A），7 次 98.8A（145.2A），11次 61.8A（92.4A），13次43.3A（79.2A）其中5次谐波最为突出，为国家标准的1.65倍，其他谐波电流在标准范围内。

测量点1、2的总谐波畸变率不满足GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的谐波限制标准，需要采取措施进行谐波抑制。

2 治理谐波的方案的比较与确定

进行谐波抑制与治理需要考虑到不应与系统发生谐振，造成谐波放大，致使系统不稳以至于崩溃，通常采取无源滤波或有源滤波措施，无源滤波无功补偿和谐波滤除无法同时兼顾，特别是高功率因数、大谐波电流的条件下，谐波滤除率就的大打折扣，甚至不能滤波；滤波特性依赖于电网系统的短路阻抗，当电网阻抗值大时滤除率高，但滤波器容易与系统形成谐振回路，在某一特定谐波次数上产生谐波放大甚至谐振，造成系统不稳以至于崩溃；大多数的情况下不可能对所有的特征谐波装设调谐支路，因此不能完全滤除特征谐波和非特征谐波；当谐波频率低于最低调谐频率时，阻抗特性变坏，且无源器件体积较大，如电容和空心电抗器，需要较大的安装空间，如果采用铁心电抗器则易于出现铁心饱和、电抗器发热、噪声大等问题；当补偿对象谐波电流过大时，容易发生过载现象。

相对于无源滤波，有源滤波实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率需求进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；补偿无功功率时不需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；即使补偿对象谐波电流过大，有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；不受电网短路阻抗的影响，不会和系统电网发生谐振；能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响；既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。

就两种形式的电力滤波器，分别从七个方面进行了优劣比对，见表5。

表5

该装置是宁波万华工业园源头工序，由一家外资企业提供工艺软件包、设备及生产技术，外方在工艺连锁条件中对电动机温升要求设置了严格条件。在谐波未治理前电动机及变压器的温升较大。几次电动机的温升过高导致工艺连锁跳车，引发整个生产工艺装置生产停车，造成极大的经济损失。为解决此问题再次发生，对电网的电能质量进行检测并评估，结合有源滤波和无源滤波的特点，也详细比对了谐波治理的方案，考虑到存在谐振的风险，以及对谐波反应相应能力，最终选择采用某知名品牌有源滤波器，分别安装在两段母线上。

3 实施效果

在有源滤波器投入使用后，采用电能质量测试仪进行不间断连续量测，获得母线上的电流电压波形、功率、谐波等详细数据，测量点1的改善情况见表6、图4、图5。

表6 测量点1

图4 电压谐波由滤波前6.07%降到3.99%

图5 电流谐波由滤波前30.4%降到12.21%

测量点2的改善情况见表格7、图6、图7。

图6 电压谐波由滤波前6.2%降到3.92%

图7 电流谐波由滤波前29.54%降到9.82%

表7 测量点2

4 实施后节能效果分析

1）滤波前的变压器损耗

（1）变压器铁损：S10-2000，690V基础铁损约 2.2kW，杂散损耗约 2.4kW，谐波导致铁损和杂散损耗增加约 30% 则PL1≈(2.2+2.4)×30%=1.38kW。

（2）变压器铜损：对于5次和7次谐波，交流电阻分别是基波交流电阻的7倍和13倍，加权平均值约为9倍。变压器基波负载损耗17.9kW，满载电流1822A，承担谐波电流约为492A，谐波电流导致的附加损耗PL3≈17.9×(492/1822)2×9=11.74kW。

（3）其他杂散损耗，按视在功率的2%估计，谐波导致的其他损耗PL2≈690×492×1.732×2% = 11.75kW

谐波导致的附加损耗功率：

通过投入滤波器前后变压器上侧进线功率变化来比较变压器有功功率，一台变压器节能30kW左右，与理论计算比较接近。

2）滤波后产生的损耗

（1）有源滤波器自身损耗为本体功率的3%左右，PL=690×400×1.732×3%=14.34kW

（2）配置一台10kW空调降温。

总体来说滤波前变压器的铜损、铁损及其他杂散损耗为30kW左右，但是有源滤波器发热比较严重，另外为考虑给电气室带来的温度影响，配置空调降温，有源滤波器的损耗及空调的投运功率之和也接近节能总量，因此节能效果并不明显。

综上所述，有源滤波器实际投入使用，确实有效的滤除了各次谐波，使配电网清洁高效，满足国标对配电网的要求，变压器的温升问题得到改善，原变压器一直运行在65℃，甚至更高，投入后温度能够降低10℃，且变压器的声音和振动也有了改观。另外还有一些看不到的改善实效，比如保障供电可靠性，降低干扰，增长变压器、变频器、电动机、电缆等电气设备寿命，减少设备损害。

5 结论

目前有源滤波是谐波治理的方向，但是功率元件容量做不大，电压做不高，成本很高，现阶段不能大面积推广，应该在具体的工程设计施工中，根据实际情况制定合理的配置方案，比如有源与无源滤波器的配合使用，有变频器的地方集中治理等。

[1] 荆锴.电力系统谐波检测与治理问题研究[D].济南：山东大学,2009..

[2] 吴忠智,吴加林.变频器应用手册[M].北京：机械工业出版社,1999.

[3] 胡铭,陈衍.有源滤波技术及其应用[J].电力系统自动化, 2002(4).

[4] 国家标准：GB/T-14549-93.电能质量标准.1993.