工厂企业谐波治理方案及治理效果分析

张建聪

摘 要：主要对工厂企业谐波治理方案和治理效果进行了分析，对工厂的配电网谐波状况作了系统分析，详细论述了谐波的危害和治理方案设计，并讨论了治理效果，以期为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。

关键词：配电系统；谐波；治理方案；治理效果

中图分类号：TM711 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.072

谐波是指电流中含有的频率为基波整数倍的电量，一般指对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波会对工厂企业电气设备的运行造成极大的影响。因此，要对谐波进行治理，保障工厂企业电气设备的工作效率。本文就工厂企业谐波治理方案及其治理效果进行分析。

1 工厂配电网谐波状况分析

1.1 配电系统总体描述

根据对工厂配电系统的电力参数和工作状况测试发现，由于工厂空压机线路和空调线路中带有较多的变频器负荷，导致大量的5，7，11等高次谐波注入到配电系统中，较高的谐波畸变因子导致电压、电流波形畸变，严重影响了配电设备的正常工作，同时，给整个配电系统的安全运行埋下了隐患。

1.2 配电系统测试图

从图1和图2中可看出，电网电压和电流均已不是标准的正弦波，电流波形畸变相当严重，畸变率高达40%.其中，以5，7，11等高次谐波为主，是线路设备发热、老化和绝缘降低的主要原因，对配电系统的危害极大，且电压畸变率也已超过国标限制，亟待解决。

2 谐波的危害和治理方案设计

2.1 谐波的危害

2.1.1 谐波对配电线路和变压器的危害

由于存在趋肤效应和邻近效应，谐波阻抗要比基波阻抗大得多。理论分析表明，交流电流的趋肤深度与频率的平方根成反比，因此，当线路导体的直径或厚度大于趋肤深度的2倍时，线路的等效交流电阻将与电流频率或谐波次数的平方根成反比。50 Hz基波电流的趋肤深度约为9.3 mm，5次谐波电流的趋肤深度约为4.1 mm，而11次谐波电流的趋肤深度仅有2.8 mm。因此，对于大容量的供电系统而言，趋肤效应的影响是很明显的。对于变压器绕组而言，要受邻近效应的影响，且邻近效应的影响比趋肤效应更严重，导致谐波阻抗大幅增加，最终导致导体发热严重。大量的高次谐波不仅增加了配电线路损耗和变压器的涡流损耗、杂散损耗，由于电缆发热，还会导致绝缘老化，缩短了电缆的使用寿命，严重时会因线路过热而引发火灾。

2.1.2 谐波对用电设备的危害

谐波会使配电网中的用电设备产生附加的谐波损耗，降低了用电设备的效率和利用率。比如，谐波会产生脉动转矩，导致电动机振动，进而影响产品质量和电机寿命；可导致感应电动机定子产生的旋转磁场中含有正比于谐波频率的正向或反向高速旋转分量，在转子导体中感应出高频电流，并以I2R的形式在转子导体电阻中消耗。对于中小型感应电机，10%的电压谐波含量可导致电机损耗增加2%～3%. 谐波改变了电压或电流的变化率和峰值，延缓了电弧的熄灭，会影响断路器的分断容量，导致断路器保护功能失效，进而因无法切断故障电流而使生产损失加大。

2.1.3 谐波对通信系统的影响

谐波通过电磁感应和传导耦合等方式会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声、降低通信质量；重者将导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。此外，谐波的高频信号还会对控制回路中的敏感电子元器件产生干扰，导致元器件采样精度降低、控制电平紊乱、保护信号误动作，进而使设备无法正常工作。

2.2 谐波治理方案设计

针对空压机配电线路，其主变容量为1 600 kVA，低压侧为0.4 kV系统，配电线路较长，负荷主要是变频器。由于变频器的电力谐波含量较高，且频谱较广、功率因数较高，采用有源电力滤波器进行谐波治理的效果最好、性价比最高。

针对配电线路较长这一特点，建议采用就地补偿的方式进行谐波治理。采用此方式有以下2个优点：①采用就地补偿可以大大减少输电线路中的谐波含量，降低线路损耗和绝缘老化，避免安全事故的发生。按照电力谐波源的频谱规律，配电线路对谐波电流的等效阻抗约为其对基波阻抗的2倍，电力变压器绕组对谐波电流的等效阻抗约为其对基波阻抗的10倍。因此，30%的电流谐波含量可导致配电线路的损耗增加20%，使电力变压器铜损增加90%. 因此，采用就地补偿消除配电线路中的谐波，可有效降低谐波导致的线损和变压器铜损。②由于低压侧的配电支路众多，强、弱电接线复杂，线性负载与非线性负载并存，所以，谐波对相邻配电支路的干扰在所难免。其中，既有电力方面的，也有信号方面的。采用就地补偿方式可消除谐波的临近干扰，提高设备运行的安全性和可靠性。

2.3 现场数据仿真分析

根据现场测试数据进行模拟仿真，可得出系统电气参数波形图和谐波治理效果，具体如图3所示。

通过仿真结果可发现，采用有源电力滤波器进行谐波治理后，配电室电压和电流波形正弦度得到了明显改善，说明谐波畸变因子得到了有效抑制。

3 治理效果

3.1 现场谐波治理效果

在靠近空压机的配电线路侧安装了1台200 A有源电力滤波器。滤波器未开启时，电流波形严重畸变，电流畸变率高达40%，谐波电流主要以5，7，11等高次谐波为主；滤波器开启后，电流波形明显改善，基本接近正弦波，电流畸变率由40%降至4.9%，谐波电流抑制效果明显。

3.2 经济效益分析

滤波前，有功功率为170.7 kW，总功率因数PF为0.9；滤波后，由于谐波得到了有效抑制，电压、电流的畸变率均大幅降低，谐波造成的无功占用基本消除，设备利用率得到了提高，在电流不变的情况下有功功率提高到了181.1 kW，提高了6.1%，总功率因数PF提高到了0.97，与基波功率因数cos基本相同。由此可见，电流中的谐波电流已被消除，只剩基波电流。同时，谐波的消除降低了配电线路和变压器的额外损耗、延长了设备的使用寿命、减少了后期的维护费用，消除了谐波导致的安全隐患，虽无法用数字具体计算资金数额，但其带来的经济效益是显而易见的。

4 结论

综上所述，谐波一直都是工厂企业设备的主要危害源，其不仅会影响机器的运行，还会严重影响工厂企业的安全运行。因此，需要及时制订治理方案和采取有效措施对谐波进行防范和治理，从而为工厂企业获得更大的经济效益作出贡献。

参考文献

[1]张丽芹，刘懿.电力系统中小型钢铁企业的谐波及其治理[J].中国电力教育，2009（S2）.

[2]瞿炜平，胡爱中.工厂企业供电系统谐波治理研究[J].华东电力，2012（12）.

〔编辑：张思楠〕

Abstract： Mainly to factories and enterprises harmonic control scheme and control effect are analyzed， the factory power distribution network harmonic condition is analyzed systematically， the harm of harmonic and the design of controlling scheme is discussed in detail， and discuss the treatment effect， to the need for relevant provides beneficial reference and reference.

Key words： distribution system； harmonics； governance scheme； governance effect