浅析谐波产生的原因及抑制措施

2013-10-29付晓春

铜业工程 2013年2期

付晓春

(江西铜业集团公司武山铜矿，江西九江 332204)

1 引言

在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。但是，工矿企业的电力设备为交直流传动设备、主井提升机和一些冲击性负荷，所以在系统运行时产生大量的高次谐波，功率因数下降，并且造成电压波动，降低系统的电能质量。电力设备的电能损耗增加，对电力设备还会产生负面影响。因此，研究和分析谐波具有着重要的现实意义。

2 谐波产生的原因

在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。它们向公用电网流入谐波电流，在公用电网中产生谐波电压，在电网阻抗下产生谐波压降叠加到电网基波上，引起电网电压波形畸变[1]。

3 谐波在电力系统中的危害

3.1 对供电线路的影响

在电力系统中，中性线电流都很小，线径一般都很细，当大量的谐波电流注入中性线时，会在中性线上产生大量的热量，不仅会破坏线的绝缘，严重时会造成线路短路，甚至引起火灾。供电线路由于集肤效应和邻近效应，线电阻随着频率的增加而增加，并造成线路中很大的电能浪费[2]。

3.2 对电力设备的影响

3.2.1 对电力变压器的影响

谐波电流通过变压器时，变压器的铁芯损耗明显增加，变压器会出现过热，运行效率降低，变压器的寿命将会缩短。除此之外，谐波还会导致变压器噪声增大[3]。

3.2.2 对电力电容器的影响

电力系统存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗增加。如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下，引起电容器过负荷甚至爆炸。

3.3 对用电设备的影响

例:谐波对异步电动机的影响。主要使电动机的附加损耗增加，效率降低，产生显著的脉冲转矩，可能出现电动机转轴震动的问题。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，对电动机起制动作用，从而减少电动机的出力[4]。

3.4 对继电保护和自动装置的影响

在工矿企业的电力系统中，电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。

4 实例分析

近年来，某井下矿山随着企业生产能力不断提高，对于供电系统的要求也随之增加。而供电系统的安全性和可靠性从很大程度上直接关系到矿山的安全生产以及员工的生命安危。生产工艺改造后，大功率硅整流设备、变频器、异步电动机等设备的投运，电力负荷急剧增大，产生大量的12K±1次谐波(尤其是5次、7次、11次等奇次波)并入系统。并联电力电容器对谐波进一步的放大作用，导致电源波形严重畸变，并发系统内电压的波动及短时闪变。变电站供电系统中一直未装设6kV电网滤波装置。使电力系统的功率因数从0.97降至0.87左右。功率因数低于供电公司考核标准0.9，力率电费的征收将给企业造成不必要的经济损失。因电网谐波的存在，给变压器、电动机、电容器及电能计量产生负面的影响，同时也造成电能损耗的增大。针对电网存在的问题进行分析，先后邀请有关专业技术人员对电网电能质量进行检测，测试表明电力系统的电能质量指标总体上已超出了国标要求，电网电压总谐波畸变率达到6.62%，超出国标4%的限值范围[5]。

4.1 测算系统无功补偿的容量

补偿容量方案一:电网的平均负荷 P=13000kW，补偿前后的功率因数

cos∮1=0.89，cos∮2=0.92。需要配置补偿的容量Qc为:

考虑到原有的无功补偿装置的电力电容性能下降，容量变小，该方案不能达到补偿效果。

补偿容量方案二:补偿前后的功率因数cos∮1=0.88，cos∮2=0.93。需要配置补偿的容量 Qc 为:

4.2 无功补偿及滤波装置的选型

某井下矿山电网最大负荷15000kW，平均负荷13000kW。无功功率补偿，必须补偿到恰到好处才行，补偿不够，达不到要求要被罚款。补偿过头了，也会导致功率因数降低，如果低到标准之下，还是要被罚款。因为过补偿，实质上是容性无功功率过大了，既然是无功功率过大，无论容性还是感性，都是无功功率，都导致功率因数降低。若过补偿会导致线路的电压升高，影响设备正常工作。故考虑到经济性、安全性要求，选定方案二，滤波装置总容量为1630kvar，对系统进行设备选型[6]。6kV 母线滤波装置FC参数配置(见表1)。

表1 FC参数配置

4.3 方案实施

根据计算的结果及主井提升机的运行方式，在110kV变电所6kV母线侧装设FC无功补偿及滤波装置，根据谐波源的性质，在装置中设有5次、11次加高通两个滤波支路。整套滤波装置利用6kV配电室的两个进线开关柜，装置的保护在开关柜上，利用原有的电容器再串联电抗器后做成11次带高通滤波支路，另外在重新设计一个5次滤波支路，这样装置安装后不仅可以补偿系统的无功，而且在谐波频率下可以滤除高次谐波，满足系统安全运行的要求。

4.4 效果检查

4.4.1 功率因数的效果

供电公司功率因数调整电费考核标准为0.90。FC无功补偿及滤波装置投运后，月平均功率因数达到0.95以上。

4.4.2 电气设备运行环境得到改善

无功补偿及滤波装置投运后，电压总谐波畸变率为0.5%，达到国标GB/T14549《电能质量公用电网谐波》[5]中对谐波电压限值的范围，减少了谐波带来的干扰，提高供电质量，提高主井提升机等设备的安全可靠性，提高经济效益，减少由于人为判断而产生的安全事故，系统运行电压进一步平稳，满足设备平稳运行的需求。