高次谐波对供电系统的干扰及解决方法

2019-12-17徐路陈荣

水泥技术 2019年6期

徐路，陈荣

1 水泥厂电能质量问题现状分析

近些年，水泥生产工艺不断改进，东华水泥厂引入大量新型变频电机，变频器主要采用交-直-交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后把直流电源换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机，其供电原理如图1所示。

图1 变频器原理图

图2 窑头低压母线电流波形

图3 窑头低压母线谐波含量

图4 篦冷机5703风机电流波形

图5 篦冷机5703风机谐波含量

图6 篦冷机5704风机电流波形

图7 篦冷机5704风机谐波含量

图8 窑主传动电机电流波形

图9 窑主传动电机谐波含量

变频器采用不可控整流，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。

经实际测试，东华水泥厂5 000t/d生产线窑头1号配电室部分设备，测试结果如图2～9所示。

2 谐波的危害

（1）产生附加损耗：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，线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；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）导致电动机发热：谐波会导致电动机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声以及过电压。

（3）影响系统安全：当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt，导致开断困难，而且会延长故障电流的切除时间。

（4）影响补偿电容寿命和效果：谐波频率下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。

3 水泥厂谐波治理建议

针对上述情况，建议采用有源电力滤波器（APF），补偿原理见图10。有源滤波器并联到原有配电网中，通过检测负载谐波，利用先进数字算法和电力电子技术，发出与负载大小相等方向相反的谐波电流，从而抵消谐波危害。由于并联到系统中，APF故障或者有问题时可以直接切出而不影响原有系统正常工作，因此具有很高的可靠性。

图10 有源电力滤波器补偿原理

针对东华水泥厂车间实际情况，拟采用中频设备专用SNAPF专用有源电力滤波器，对设备中的5、7次中频谐波进行有效消减。具体配置如下：

1号配电室变压器容量1 650kVA，平均谐波率30%，配置APF补偿容量300kVA（可采用2台标准GGD配电柜安装，单柜容量150kVA，内含5台抽拉式单体APF，方便检修及替换），达到补偿率80%以上效果。

2号窑主传动配电室进线容量300kVA，谐波畸变率35%，配置有源滤波器120kVA，单台GGD柜式安装。

4 谐波治理后的节能效果分析

4.1 平均视在功率降低

补偿设备安装使用后，功率因数提高，谐波电流尤其是5次、7次等中频谐波降幅为75%～83%左右，平均视在功率可降低20%左右，并产生明显节电效果。

以2号窑主传动配电室为例，投入前电流有效值为680A，其中5次谐波电流约为180A，投入有源谐波滤波装置后预计5次谐波电流将被抑制到5%以下（≯30A），电流有效值可降低到500A左右。平均视在功率可降低60kW，合计每小时节电量为60kWh，日节电量=60kWh×24=1 440kWh。

4.2 变压器损耗降低

APF设备投运后，理论上可将谐波电压基本抑制，谐波电压导致的铁损可以减少。根据以往工程经验，二号配电室电室谐波电流为180A，因此导致的主变压器负载电流额外损耗为5.7kW左右，此值也就是谐波得到完全治理后的节电量，日额外还可产生节电量=5.7kWh×24=136.8kWh。其他配电室平均视在功率降低节电效果与之基本类似。