水泥厂的谐波治理
2011-01-05曹汉红姜大宝
曹汉红，姜大宝
水泥厂的谐波治理
Harmonic Wave Governing for the Cement Plant
曹汉红，姜大宝
1 概述
采用变频器驱动的电动机系统具有节能效果明显、调节方便、维护简单、网络化等优点，但它的非线性、冲击性用电的工作方式，也带来了很多的干扰问题。变频器的输入端和输出端都会产生大量谐波，输入端的谐波会通过输入电源线对公用电网产生影响，而输出端的谐波不但会对其本身的电源或内部产生影响，更会引起电动机故障或影响控制设备（如计算机或传感器），甚至造成停产等损失。
水泥厂供配电系统的谐波污染大大降低了电能传输和利用效率，故而进行谐波治理是非常必要的。
2 水泥生产线谐波特征
2.1 谐波主要来源为变频器
从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0,U0的幅值决定于各整流装置的控制角，频率决定于两组整流装置的切换频率。目前在水泥企业里应用较多的还是间接变频器。
间接变频有三种不同的结构形式：
（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。
（2）用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压。
（3）用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件输出波形才会形成非常逼真的正弦波。
2.2 变频器如何产生谐波
无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变。经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。
表1 谐波的分类比较与治理
表2 谐波电压限值
表3 谐波电流限值
表4 某厂烧成窑头电力室谐波治理方案
3 谐波及分类
3.1 电能质量
说到谐波，我们应该首先了解一下电能质量。
一个理想的电力系统应以恒定的频率（50Hz）和正弦波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差120°的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、电动机、线路等等)参数并不是理想线性或对称的，加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，因此就产生了电能质量（Power Quality）的概念。
电能质量与一般产品质量不同，有其如下特点：
（1）不完全取决于电力生产企业，甚至有的电能质量指标（例如谐波，电压波动和闪变，三相电压不平衡度）往往是由用户干扰所造成的；
（2）对于不同的供（或用）电点在不同的供（或用）电时刻，电能质量指标往往是不同的，也就是说，电能质量在空间上和时间上均处于动态变化之中。
3.2 谐波的概念
在电能质量多种指标中，受干扰性负荷影响，谐波是最为普遍的，这是因为非线性负荷在快速增长，电网的谐波水平在不断提高。
电网中接入非线性负荷，使得电压、电流的波形产生了畸变，其波形不再是正弦的。由电工理论可知，电流电路的理论和计算均以正弦波形为基础，当波形成为非正弦时，将会给系统带来很多问题。
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3.3 谐波的分类
供电系统中谐波可分为电力侧谐波和用户侧谐波。
·电力侧谐波：
又称低频谐波，通常是指40次以下的谐波，尤以3、5、7、9等次谐波为代表，对供电系统产生危害，造成电网供电效率下降，电容发热甚至烧毁等。
·用户侧谐波：
又称高频谐波，通常是指40次以上的谐波，频率通常在2000Hz以上，对用电设备产生危害，造成工作质量下降、死机、损坏、寿命下降等。
表1为谐波的分类比较与治理。
3.4 谐波的危害
在使用变频器的场所中，一般来讲，变频器对容量大的电力系统影响不是十分明显，但是对于系统容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，并且它对公用电网也是一种污染，谐波的存在对公用电网和其他系统的危害大致有：
（1）谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
（3）谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重事故。
（4）谐波会对控制系统中的设备产生影响，造成控制系统紊乱、电脑死机、通讯系统中断、数据及信息丢失。
3.5 谐波治理设备的工作原理
简单地说谐波保护器是通过实时检测电网中由非线性负载产生的电流波形，分离出谐波部分，将其反相，再通过逆变器的触发将反相电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。
4 谐波限值的相关标准
《供配电系统设计规范》GB50052-2009，5.0.12配电系统中的谐波电压和在公共连接点注入的谐波电流允许限值，亦符合现行国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-1993的规定（表2、3）。
5 水泥生产线谐波治理方案实例
某现代化水泥厂的窑头车间经常出现电动机烧毁、变压器噪音巨大、变频器或电容烧毁、生产线传输中断、通讯数据丢失等情况，这说明系统中电力侧谐波和用户侧谐波的含量都比较大，需要做一个全面的谐波检测。
5.1 谐波的治理
根据电力侧谐波的含量及谐波电流的大小，安装HPD2000谐波保护器；
根据用户侧谐波的含量，在低压进线侧安装HPD1000谐波保护器；
在重要的设备端和负载端安装HPD99谐波保护器。
治理方案如表4所示。
治理设备安装位置见图1、2、3。
5.2 治理后检测
根据此方案进行谐波治理以后，该工厂存在的问题得到了明显的好转，生产率得到了很大提高，图4～7是进行谐波治理前后的数据比较。
从图4～7中可以看到，电流波形在治理后得到了明显改善，谐波含量符合国家的标准。
根据以上测试数据可以看出，通过谐波保护器的全面治理，谐波的含量得到了明显的改善，系统的谐波少了，用电环境好了，生产效率将得到很大的提高。
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吕 光
