電力濾波器在客戶中的應(yīng)用

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在配電網(wǎng)中，電壓和電流的波形應(yīng)是正常的正弦波，然而隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)和電子技術(shù)的發(fā)展，工礦企業(yè)中大量采用的整流換流裝置，冶金機(jī)械行業(yè)中大量采用電弧爐、軋機(jī)、變頻器；化工行業(yè)中大量采用整流、電石爐、電焊設(shè)備；石化行業(yè)采用的機(jī)泵變頻調(diào)速裝置，其三相橋式可控整流注入大量5次諧波；交通中運(yùn)輸中的電氣機(jī)車、電車、地鐵、軌道交通中大量采用的都是整流裝置，這些電氣設(shè)備均屬非線性負(fù)荷，其電壓和電流均會發(fā)生不同程度的畸變。畸變后的波形中含有高次諧波，其中還包括家用電器在內(nèi)的由整流和變頻引起的小容量的高次諧波，這些高次諧波產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)入配電網(wǎng)絡(luò)，使電網(wǎng)的安全運(yùn)行受到嚴(yán)重影響，使電能質(zhì)量受到污染。
1 高次諧波對電氣設(shè)備的直接危害
  交流電網(wǎng)的電壓畸變會引起常規(guī)變流器控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器工作不穩(wěn)定；而對逆變器則可能發(fā)生連續(xù)的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設(shè)備。
  三次及其倍數(shù)次的高次諧波對星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，其電網(wǎng)中分布電容較大，或安裝了中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容時，會形成3次諧波振蕩，使變壓器附加損耗大大增加。對三角形連接的變壓器會使其在繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱，而且諧波電流使變壓器的銅損和鐵損大大增加。
  高次諧波電流在電動機(jī)中產(chǎn)生的集膚效應(yīng)、磁勢渦流等，隨著頻率增高而使電動機(jī)鐵芯和繞組中的附加損耗增大，在電動機(jī)啟動時易發(fā)生脈動，干擾力矩使電動機(jī)產(chǎn)生較大的噪音。由于電動機(jī)負(fù)荷很大，高次諧波產(chǎn)生的附加損耗在電力負(fù)荷中的影響十分顯著。
  測量用儀器儀表均在50Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波的理想狀態(tài)下設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或電流中含有高次諧波成分時，就會影響儀器儀表測量的準(zhǔn)確性，并影響感應(yīng)式電能表的正常工作。
  高次諧波在電力線路中流過的幅值較大的低頻諧波電流經(jīng)過磁場耦合。在相鄰的通信線路中會產(chǎn)生干擾，在諧波和基波的共同作用下，誤觸發(fā)鈴聲，干擾通信線路系統(tǒng)的正常工作，影響通信線路的通話。在特定的條件下，還會威脅通信設(shè)備和人員的安全。
  高次諧波會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動裝置，引起各類保護(hù)誤動作，威脅電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。
  高次諧波對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)的電容器的燈光照明會造成諧振過電壓，損壞鎮(zhèn)流器和電容器。高次諧波還會對電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形產(chǎn)生畸變，畫面亮度產(chǎn)生波動。使機(jī)內(nèi)元件過熱，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)出錯。
  高次諧波可使電容器介質(zhì)損耗增加、發(fā)熱、壽命縮短，吸收諧波后會導(dǎo)致電容器過電流，使熔絲熔斷，電容器與電網(wǎng)電感形成串聯(lián)諧振時，將諧波放大，燒毀電容器。
  交流電網(wǎng)的電壓畸變會引起常規(guī)變流器控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器的工作不穩(wěn)定；而對逆變器則可能發(fā)生連續(xù)的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設(shè)備。
2 高次諧波的抑制
  高次諧波的抑制，主要是減少或消除注入電網(wǎng)的諧波電流，控制諧波電壓和電流在允許范圍內(nèi)，抑制諧波電流的主要措施為：改善供電環(huán)境、降低諧波源的諧波含量，吸收諧波電流。其中吸收諧波電流是目前使用廣泛，且zui有效的抑制諧波的方法。常用方法如下。
2.1 無源濾波器（FC）
  無源濾波器屬于被動的吸收式濾波，在諧波源比較簡單的系統(tǒng)中，結(jié)合功率因數(shù)補(bǔ)償，選用高性能的濾波電容器，串聯(lián)高線性的濾波電抗器，組合成濾波補(bǔ)償器，在吸收系統(tǒng)中主要的諧波分量時，補(bǔ)償無功功率。
  無源濾波又分為調(diào)諧和非調(diào)諧的兩種濾波技術(shù)，調(diào)諧式無源濾波技術(shù)主要為濾波，其效率可達(dá)70%，但配置的容量很大，投入時會造成電壓波動，且易造成過補(bǔ)償。其計(jì)算和配置復(fù)雜，存在諧振的危險，無法滿足要求。目前已不使用。
  非調(diào)諧式無源濾波技術(shù)是抑制諧波進(jìn)入電容器，避免諧振。其配置簡單，但濾波效果差。
2.2 有源濾波器（APF）
  有源濾波器屬于動態(tài)消除濾波，一般用于重要負(fù)荷場所，根據(jù)用電設(shè)備對諧波的敏感程度，為達(dá)到*的濾波效果，配置動態(tài)有源濾波器。有源濾波器是采用開關(guān)元件，通過數(shù)字信號處理和脈寬調(diào)制技術(shù)，根據(jù)檢測到的諧波分量，產(chǎn)生一個幅值相等、相位相反的電流，在諧波源處注入系統(tǒng)，使電源的總諧波為零，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，該技術(shù)對清除諧波效果大，可濾除97%以上的諧波電流，其濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可清除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變，補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)。該技術(shù)不存在導(dǎo)致過補(bǔ)償和引起電壓波動的問題，具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤并補(bǔ)償變化中的諧波。
目前有源濾波器發(fā)展方向如下。
2.2.1 控制系統(tǒng)的簡化
  目前有源濾波器控制系統(tǒng)大多為模擬電路，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隨著高速數(shù)據(jù)處理芯片功能的完善，不久將實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。能更準(zhǔn)確的檢測電網(wǎng)的諧波電流，以達(dá)到更好的補(bǔ)償效果。
2.2.2 補(bǔ)償裝置的多功能化
  有源濾波器除能補(bǔ)償諧波外，改造其控制回路后，還可補(bǔ)償基波的無功，更好抑制電壓閃變和不平衡電壓。
2.2.3 降低裝置容量
  有源濾波器中zui基本的是并聯(lián)型，其容量取決于交流回路電壓有效值與補(bǔ)償電流有效值的乘積。并聯(lián)型有源濾波器裝置的容量主要取決于補(bǔ)償電流，因此有源濾波器的造價遠(yuǎn)高于無源濾波器。為降低補(bǔ)償裝置的投資，主要應(yīng)降低有源濾波器的容量。目前是將有源濾波器和無源濾波器組合使用。用無源濾波器濾除諧波源中的主要諧波電流，再利用有源濾波器提高總的補(bǔ)償效果。這就是組合型有源濾波器。
  有源濾波器補(bǔ)償效果好，響應(yīng)快，且不受阻抗影響，但價格相對較高，如將有源濾波器的*性能與無源濾波器的低成本相結(jié)合，即可構(gòu)成組合型濾波器，通過適當(dāng)控制可使負(fù)荷的諧波電流由有源濾波器提供，負(fù)荷的基波無功功率由無源濾波器提供。這樣逆變器的容量可明顯減小，成本大大降低，是理想的消除諧波及補(bǔ)償無功的*方式。
3 客戶消諧的技術(shù)和管理措施
  從以上對諧波產(chǎn)生的原因分析，可看到目前大量采用電力電子設(shè)備的冶金、化工、機(jī)械、軌道交通等行業(yè)中存在著高次諧波，嚴(yán)重污染和干擾了電力系統(tǒng)，為消除諧波的影響，以上消除諧波的方法，針對不同的客戶，采用適當(dāng)有效技術(shù)手段和到位的管理措施，是*可以做好諧波源治理工作的。
3.1 在客戶工作中應(yīng)采取的技術(shù)手段
  在治理諧波源的過程中，首先應(yīng)針對諧波源的設(shè)備，選擇合理的消諧技術(shù)措施。對負(fù)荷變化不大、諧波次級超標(biāo)種類不多的，可采用簡單經(jīng)濟(jì)的無源濾波器，但需要結(jié)合負(fù)荷工況實(shí)現(xiàn)分級投入，以確保在低載時也不會發(fā)生諧波超標(biāo)。 相對于負(fù)荷變化較大的，諧波次級超標(biāo)種類較多的，要求設(shè)計(jì)采用有源濾波器與無源濾波器組合的使用方式。首先采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低的無源濾波器，分擔(dān)大部分補(bǔ)償和消諧任務(wù)，再利用有源濾波器良好的補(bǔ)償性能，這樣既解決了有源濾波容量大、成本高的問題，又可使系統(tǒng)取得較好的消諧效果。
  優(yōu)先選用濾波器的在線監(jiān)測系統(tǒng)，在諧波源客戶中盡可能選用濾波器的在線監(jiān)測系統(tǒng)，目前在部分客戶中，已使用濾波器的在線監(jiān)測系統(tǒng)，對諧波電壓、諧波電流具有記錄和報警功能，實(shí)時監(jiān)測諧波電壓、諧波電流，系統(tǒng)能輸入設(shè)置各次諧波電流允許值和諧波電壓總畸變值。當(dāng)諧波電壓、諧波電流超標(biāo)時，能記錄超標(biāo)時的各次超標(biāo)諧波的zui大值、zui小值及平均值，以及記錄超標(biāo)時間等相關(guān)數(shù)據(jù)。安裝濾波器在線監(jiān)測系統(tǒng)，使供電部門實(shí)時掌握客戶的諧波情況，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的潛在危害，以便于盡快作出判斷，果斷采取措施，消除隱患。采用濾波器的在線監(jiān)測系統(tǒng)，還可減少對諧波源客戶的現(xiàn)場測試，提高工作效率，有效地改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，節(jié)約能源，提高客戶計(jì)量點(diǎn)的功率因數(shù)，解決客戶功率因數(shù)不合格造成的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)的罰款問題，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。
3.2 加強(qiáng)用電管理
依據(jù)國家法律法規(guī)和行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，從管理上嚴(yán)格把關(guān)，目前在工作中的主要依據(jù)有：《中華人民共和國電力法》、《電力供應(yīng)與使用條例》、《供電營業(yè)規(guī)則》、《用電檢查管理辦法》、《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》、《電能質(zhì)量——電壓波動和閃變》、《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值》。
  在供電公司受理客戶的業(yè)務(wù)時，對產(chǎn)生諧波源的重點(diǎn)行業(yè)，應(yīng)了解客戶的生產(chǎn)流程和工藝，對帶有諧波源的用電設(shè)備，在供電方案中注明"諧波治理"字樣，在簽署供電方案確認(rèn)協(xié)議的同時簽署諧波治理協(xié)議，在設(shè)計(jì)審圖時，對諧波治理措施審核，在送電前客戶落實(shí)諧波治理設(shè)備的合同簽署，由工程管理人員進(jìn)行驗(yàn)收。
  在供電公司內(nèi)部建立諧波監(jiān)督管理體系，將諧波監(jiān)督管理納入正常的生產(chǎn)管理工作中。有可能的情況下，應(yīng)建立諧波監(jiān)督管理機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)日常的諧波監(jiān)督管理，建立諧波源客戶資料檔案，對重點(diǎn)諧波源客戶進(jìn)行跟蹤測量、分析和有效治理。并組織有關(guān)部門發(fā)布有關(guān)諧波治理的信息和經(jīng)驗(yàn)交流，以提高電能質(zhì)量管理的水平。