棉纺织厂电力谐波分析及治理实践

颜 冬 何建成

（新疆广维现代建筑设计研究院有限责任公司，新疆乌鲁木齐，830000）

棉纺织厂电力能源管理直接关系到企业的经济效益［1-3］。企业生产需要稳定的电网电力质量和企业内部用电质量。随着现代纺织科技的不断发展，纺机设备传统的调速方法发生了根本改变，传统的齿轮、胶带等传动方式应用场景大幅度减少，交流电机多级调速、直流电机调速方式也普遍被变频调速方式代替。一方面纺机设备自动化和智能化水平提高需要稳定可靠电源质量，另一方面纺机设备自动化和智能化水平提高需要大量采用变频器等电器配件，在使用过程中这些电器配件又对电源质量施加影响，电力谐波问题随之产生［4］。电力谐波给企业用电安全带来的影响也日益凸显，加强电力谐波的防治就显得至关重要。

GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》对谐波允许值作出了明确的规定［5］。1998 年《电网电能质量技术监督管理规定》中第五条指出：因电网或用户用电原因引起的电能质量不符合国家标准时，按“谁干扰，谁污染，谁治理”的原则及时处理，并贯穿于电网及用电设施设计、建设和生产的全过程［6］。《供电营业规则》中第五十五条指出：引起公共连接点电压正弦波畸变率超过标准时，用户必须采取措施予以消除，否则，供电企业可中止对其供电［7］。《电网运行准则》中5.2.6“谐波含量”条款中明确要求输电系统谐波应满足GB/T 14549—1993 的要求［8］。

1 棉纺织厂电力谐波的现场测试实例

从2016 年开始，我们公司在相关专业单位的配合下对新疆3 个棉纺织企业的数十个车间进行了电力谐波测试，以具有代表性并承担主要负载任务的1 600 kVA/2 000 kVA 变压器为重点，测量线路上所有常规的电力质量参数。在每个测量点上，测试三相电压电流有效值、电压谐波畸变率和电流谐波畸变率，绘制时间趋势图并进行分析。

1.1 测量点位

测量点位如图1 所示。

图1 电力谐波测量点位置

1.2 典型数据分析

（1）库尔勒A 纺织厂3 号车间2 号配电室（2 000 kVA 变压器）测试数据如下。其中，电压总谐波畸变率8.5%，变压器功率因数0.93。

（2）库尔勒B 纺织厂转杯纺车间配电室（1 600 kVA 变压器）测试数据如下。其中，电压总谐波畸变率7.2%，变压器功率因数0.93。

（3）阿克苏某厂4 号车间1 号配电室（2 000 kVA 变压器）测试数据如下。其中，电压总谐波畸变率9.3%，变压器功率因数0.93。

从以上企业内部电力质量检测结果来看，3个企业电压总谐波畸变率均超过有关电力质量标准规定5%的要求。

2 电力谐波的危害

2.1 电力谐波对变压器的影响

谐波电流增加了变压器的铜损、铁损，使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。电力谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，引起铁心磁通饱和或歪斜，从而产生噪声。据相关部门试验，相同的电缆敷设条件，若通过一般的工频电流，变压器的使用寿命为25年，而含有高次谐波的非正弦电流，严重影响其使用寿命。

2.2 电力谐波对电力电容器的影响

随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，电容器容易发生故障和缩短寿命；另一方面，电容器电容与电网感抗组成谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行［9］。这在纺织企业中普遍严重存在，且影响供电的正常运行。

2.3 电力谐波对电力电缆的影响

在导体中非正弦波电流产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较，非正弦波有较高的热量，该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如同增加了导体的交流电阻，进而导致线路损耗增加。

2.4 附加铜损和铁损的形成

电力线路中谐波电流会在系统中各种电气设备（如变压器、电力电容器、输电线路、电机及用电设备等）上造成附加铜损和铁损。可以把谐波源看作产生谐波的发电机，其谐波能量是通过设备非线性基波的能量转换而来的。谐波电流是由非线性负荷产生，然后注入电网系统中，消耗在负荷及线路上。通过安装无功补偿设备，可以有效降低相线电流值，从而达到节能的目的。同时，由于运用滤波设备后将供电系统中的谐波进行滤除，减小了相线上电流的有效值，使母线上的电流下降，从而提高了变压器和发电机的供电容量。

2.5 事故隐患的发生

传统无功补偿电容器装置过载烧坏现象频繁出现，有火灾隐患；高次谐波引起的电缆、铜排的集肤效应使得电缆、铜排发热严重，绝缘老化、使用寿命下降；过高的谐波电压尖峰可能击穿用电设备的输入模块，威胁用电设备的可靠运行；谐波含量过高可能影响系统中弱电系统的正常运行，干扰通讯系统的正常工作；引起三相不平衡，为三相设备的安全运行带来隐患，大量零序谐波造成系统中线电流过大，在某些单相负载严重场合，中线电流可能超过相线电流引发过载事故。

3 电力谐波电流电压限值

根据GB/T 14549—1993，各电压等级谐波电压值如表1 所示。在基准短路容量10 MVA下，注入0.4 kV 母线的各次谐波电流允许值如表2 所示。

表1 公共电网谐波电压限值

表2 各次谐波电流限值

4 目前采用的几种谐波抑制方式

（1）减少谐波源的谐波含量。通过改变设备装置和改变供电方式减少谐波源的谐波含量，主要有增加可控硅变换装置脉冲数、改变供电系统的运行方式、减少发电机产生的谐波等方法。

（2）在电容回路中串接电抗器，主要用于低压配电室，可部分抑制谐波电流的放大和影响［10］。

（3）在谐波源处就近安装交流滤波器，主要用于高压电网。这是在谐波源设备已经确定的情况下，防止谐波电流注入电网的有效措施。

（4）采用有源滤波器。

（5）重谐滤波补偿装置。在考虑基波+谐波的“全电流，全电压”电网环境下，配置“基波无功补偿+谐波治理容量”两部分，独立划分谐波治理空间，将谐波对补偿装置内各元器件影响控制在极低范围内，保证装置安全运行同时优化变压器功率因数并有效治理谐波。

5 “重谐”的定义

（1）根据我国工业用电设备的谐波发射水平以及设备的抗扰水平，并参考标准GB/T 14549—1993、IEEE 519—2014《电力系统谐波控制的建议做法和要求》等标准，把0.4 kV 电压总谐波畸变率大于5%的用电环境，定义为“重谐”。从多个纺织厂谐波测试的数据来看5 次、7 次畸变率远大于国家标准，造成的主要影响有变压器、电缆、母排异常振动、高温，设备绝缘损坏导致的各类电气事故；电网受谐波污染严重，精密设备和工艺设备误动作、不受控、报警停机，产品报废；电容补偿元件寿命大幅缩短，损坏严重几乎停运等。

（2）随着现代工业以及电力电子技术的不断发展，用电设备越来越复杂多样化，由此引发了诸多用电质量问题。除了功率因数低的问题之外，各种“高精尖”设备的广泛应用又为电网引入大量谐波，导致大量的精密仪器均受电力谐波影响。如今，整个配电系统也从原来的低功率因数到高功率因数，轻谐波转变为重谐波。通过对大量企业调研后发现，以变频器负载为主的纺织企业，按传统设计的无功补偿装置投入后频繁故障甚至无法使用。在负荷类型发生很大变化情况下，传统无功补偿已无法满足现有负荷的使用要求。

6 两种谐波治理方案实例

6.1 采用有源滤波器

（1）在阿克苏某纺织厂，对十厂后纺2#配电室2#变压器（1 600 kVA）采用有源滤波装置（APF）进行谐波治理。APF 和无功补偿配置：（APF-300A+FC-100kVar）×1+（APF-400A）×1。治理效果：APF 和无功补偿装置投入后，低压侧5次谐波电流从402 A 降低到255 A，电压谐波畸变率从7.7%降低到6.2%（未达到标准5%），功率因数从0.95 提高到0.97，治理效果一般。低压侧具体测试数据对比如下。

（2）在阿克苏某纺织厂，对八厂后纺1#配电室2#变压器（2 000 kVA）采用有源滤波装置（APF）进行谐波治理。APF 和无功补偿配置：（APF-300 A+FC-100 kVar）×2。治理效果：APF 和无功补偿装置投入后，低压侧5 次谐波电流从386 A 降低到290 A，电压谐波畸变率从6.6%降低到5.5%（未达到标准5%），功率因数从0.95 提高到0.96，治理效果一般。低压侧具体测试数据对比如下。

6.2 采用重谐滤波补偿装置

（1）在莎车某纺织厂，对1#厂房前纺3#变压器（2 500 kVA）采用重谐滤波补偿装置进行治理。重谐滤波补偿配置：（LZS-GT0.4/600L6）×2。治理效果：重谐滤波补偿装置投入后，低压侧5 次谐波电流从141 A 降低到49 A，电压谐波畸变率由4.6%降低到2.5%，功率因数从0.85 提高到0.99，谐波治理效果较为显著。低压侧具体测试数据对比如下。

（2）在莎车某纺织厂，对1#厂房后纺1#变压器（3 150 kVA）采用重谐滤波补偿装置进行治理。重谐滤波补偿配置：（LZS-GT0.4/800L8）×2。治理效果：重谐滤波补偿装置投入后，系统电流由2 690 A 降低到2 485 A，低压侧5 次谐波电流从463 A 降低到168 A，电压谐波畸变率从9.3%降低到4.9%，功率因数从0.95 提高到0.99，治理效果显著。低压侧具体测试数据对比如下。

6.3 两种谐波治理方案比较

我们对两种谐波治理方案的优缺点进行比较。APF 和无功补偿方案：占地面积大，APF 和无功补偿配置为全电力电子器件，对散热、安装、环境要求高，工业现场需定期维护；容性、感性双向补偿，调节三相不平衡，谐波滤除频带宽；运行环境相对较好、可应用在负载动态变化的现场（如数据中心、体育中心、剧院、医院等）；自身损耗3%，投资维护运行成本比较高。重谐滤波补偿方案：滤波补偿二合一，是一体柜，占地面积小；真空接触器、电容、电抗参数专业定制，稳定性强，可适应恶劣环境，3 年免维护；补偿、滤波、提升电压同步进行，对特定次谐波滤波能力强；可应用在大量使用变频器、伺服电机和稳定、连续运行的工业现场（纺织、食品、陶瓷、水泥、电子等）；自身损耗0.3%，投资维护运行成本是前者的2/3。

7 结语

对于现代棉纺织厂来说，用电质量是保证其安全正常运行的关键环节，谐波抑制的方式从电容回路中串接电抗器到交流滤波器（有源滤波器），再到目前可以根据负载情况精准重谐滤波补偿的方式，是人们对谐波从抑制发展到谐波滤除不断认识和进步的过程。通过棉纺织厂电力谐波治理实例分析发现，采用重谐滤波补偿方案占地面积小，对环境适应性强，治理谐波和功率补偿相结合，谐波治理效果显著，投资维护成本低，适用于棉纺织厂电力谐波治理。