烟草行业电能质量问题的监测与改善

2013-04-16

电子世界 2013年5期

1.引言

随着现代科技迅猛发展，烟草行业联合工房内的用电与供电设备设施中非线性负荷（计算机、空调、变频、UPS、电子器件等）比重讯速增大，包括电能谐波、电压波动和电磁干扰等方面的供电质量正迅速恶化，对联合工房电气安全，运行等带来了新的问题。常规的电能质量检测的方法主要是使用便携式电能质量分析仪，采用定点、定时的方式检测电网电能质量指标的背景状况和干扰源设备（如非线性设备）接入电网或干扰源容量变化对电网电能质量的影响，这种常规检测往往存在一些误区和盲点，如需要据测试人员的经验来选取认为非线性负载容量大、冲击负荷、负荷波动快、系统故障频繁等用电回路进行监测等缺点，因此建立一个实时在线的监测网络对电网电能质量实行全面的运行监测及消除谐波的方法尤为重要。

2.电力系统电能质量及评价体系

衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，即产生谐波，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。如图2-1所示，为部分电能质量的问题的图形化表现形式。

3.谐波的主要危害

当谐波电流、电压超出一定限制标准(中国国家标准(《电能质量公用电网谐波》GB/T14549－93))和IEC 1000—3—4、IEEE—519——1992国际标准时，将对电网产生不利影响，主要有：

1)使原设计的电路将不能满足现有谐波的附加发热要求，将引起电路导体的导电能力下降；2)增大电能消耗；3)开关的开断能力下降；4)电动机、变压器、电缆异常发热；5)一般用电设备故障率迅速增加；6)专用电子设备不能正常工作，比如可控硅(依赖过流点进行控制导通角同步控制)工作异常、电气设备控制系统失灵或损毁，通讯网络无连接；7)引起配电设备异常震动和噪音，严重时使电气设备无法正常地运行，产生电磁干扰；8)谐波使电容器等电器设备过流、过热、甚至爆裂或着火引起火灾。

一般来讲，谐波对容量相对特别大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统，谐波产生的干扰就不可忽视，谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波污染对电力系统的危害严重性主要表现在：

(1)谐波对供电线路产生了附加谐波损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波电流流过中性线时，会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短、损坏甚至发生火灾。

(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。对发电机的影响除产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声和过电压；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成电压过高，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。

(3)谐波使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器其电路比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。

(4)谐波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。

(5)谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，通讯设备工况变坏等。

4.卷烟厂各个车间供电系统的谐波来源

卷烟厂各个车间谐波的主要设备来源。包括照明、变频设备、空调制冷系统、发电机和软启动器等，具体表现形式如下：

(1)照明：照明配电是联合工房电气设计的一个重要内容。其中灯具几乎都是谐波源，不同种类和型式节能灯的主要谐波电流的相位也有所区别。

荧光灯：特征谐波电流全为奇次谐波。线绕镇流器的电流含有率3次谐波较高，可达8～10%。

高压气体放电灯：谐波特征是主要产生3、5、7次谐波，其量随灯具的容量而幅度增大。

调光白炽灯：调光白炽灯的电力调节电路是通过用可控硅切除正弦电流的一部分来调节负载电流的大小。其特征谐波电流全部为奇次谐波，不同控制角α的谐波电流含量不同，一般地，α越大，谐波电流含量越大。

(2)变频设备：联合工房卷包、切丝、除尘等生产线应用了大量电动机、变速驱动装置等等，可产生大量5次，7次为主的谐波，是工厂建筑内非常重要的一种谐波源。

(3)空调制冷系统：在联合工房需安装大容量的空调制冷系统及风机，水泵等，容量超过数十千瓦，空调机谐波电流大小依工作方式而变，制冷时为20～27%，制热时为22～34%，谐波分布为2～15次，可见，无论是制冷还是制热，THDi都不小。变频空调的谐波含量与分布更大，产生以5、7次谐波最为显著。空调制冷系统的容量越大，谐波电流越大。

(4)发电机和软启动器：一般情况下采用的柴油发电机组可产生很严重谐波。联合工房用电量大，为了减小变压器容量，降低各电动机的启动电流，设计时选用多台晶闸管软启动器。虽然起动电流小，变压器容量减小了，可是所产生的谐波电流对电源污染很严重。软启动器晶闸管的整流电路结构简单，但输入电流中含有很高的谐波分量，输入电流的5次谐波可达20%，7次谐波可达12%，如实际测量中一台132KW电动机，200KVA软起动器的高次谐波明显表现出含有5次、7次等高次谐波分量，而且非理论上的三次谐波分量也很大。

以上可以看出，对于烟草行业，改善电能质量以及提高能源设施的效率，保障电网及能源设施安全可靠运行，十分迫切。

5.卷烟厂谐波监测及治理方案

针对对烟草行业的特点和需求，从电能质量与负荷能效两个方面，进行监测、分析和管控技术，达到改善电能质量的目的。

表2-1 电能质量国家标准摘要

表2-2 注入公共连接点的谐波电流允许值

续表2-2

(1)谐波监测

通过采用高级电能质量管理装置，以实时监测、分析和管理烟草行业生产过程的各个工序的电能质量与负荷能效情况。具有功能如下：

1)I、U、P、Q、SPF、KWH、KVAR等全电量实时监测；2)最值与均值测量记录；3)多时段分时电能计量；4)0～127次的电压及电流谐波测量(包括THDI、THDU，HDI、HDU等)；5)同次谐波幅值与电压和谐波电流之间相位差、三相电压(流)不平衡度、电压或电流负序极值及其对应时刻、三相电压的短时间及长时间闪变；6)参数波形记录与告警功能、电压暂升、暂降、短时电压中断监测与记录电压瞬态监测与记录；SOE事件记录等多种功能。

(2)谐波治理措施

通过采用国际领先技术的产品(美国原产)RESINE有源谐波过滤器与其他无源滤波器设备相比，不仅具有能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功，滤波特性不受系统阻抗等影响的优势，适用于单相、三相1KV以下配电系统，将反向谐波电流注入配电系统中实现对配电系统中2～51次谐波完全消除，响应时间＜1ms。RESINE有源滤波器在HAR>10的动态电能谐波滤除能力之外具备动态无功调节能力，且无功调节能力可工作于容性与感性负载。

6.应用案例

(1)需求分析

由于此卷烟厂采用的柴油发电机组，是谐波主要来源之一，且发电机正常运行时，运行参数无实时记录，当发电机出现异常现象，无法准确查询到异常原因，也无法找到最优化的运行模式等需求，所以需要通过监测、分析及电能质量治理手段进行谐波治理。

此卷烟厂，是针对发电机组进行监测、分析与电能质量治理方法，主要采用高级电能质量管理装置以及有源滤波器进行谐波治理。

(2)解决方案

通过高级电能质量管理装置监测和分析波形，如图6-1、6-2所示。

通过有源滤波器进行谐波治理，如图6-3所示。

(3)结论

通过上面的测试报告，可以看出，通过此装置，得到了明显的电能质量改善效果。

图2-1 部分电能质量问题的表现形式

图6-1 高级电能质量管理装置网页浏览界面

图6-2 高级电能质量管理装置谐波监测界面

图6-3 滤波器投入前、后电流电压波形图

1)电流波形明显改善，使用滤波器后电流波形呈正弦波形态；2)功率因数提高较多，由0.62(平均值)提高到0.93(平均值)；从而使电流有效值降低，提高了设备的使用效率；3)电压畸变状况得到改善，总电压谐波畸变率THDV从7.2%降低到5%左右；4)电流畸变状况得到明显改善，总电流谐波畸变率THDI从40%左右降低到10%以下；5)滤波器调试后运行正常，且滤波效果明显，符合设计要求。