水泥厂电能损耗和电能质量综合治理研究

王道连

摘 要：当前，国家对环保、节能降耗的要求进一步提高，各水泥厂均在实施变频改造，且变频器的大量使用，加剧了配电系统的波形畸变。配电系统的电容补偿模块又对谐波源起到放大作用，进而引发谐振波动，造成电容器等设备损坏，从而导致功率因数偏低，出现电能损耗。文章针对水泥行业出现的补偿不足、补偿不及时及谐波问题提出合理的解决方案，从而解决企业功率因数低，节省电能损耗的问题。通过选择先进的有源滤波设备优化电网系统质量，能够处理谐波问题对电网设备造成的影响。

关键词：谐波;功率因数;电能损耗;电能质量

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.016

随着现代电力电子技术的飞速发展以及工业生产水平的提高，非线性用电设备在电网中大量使用，电网中的谐波含量占比也越来越大，从而对电网中的其他设备产生影响。而在水泥企业中，由于变频器的大量使用，谐波问题也越来越严重。谐波影响了电气设备的正常运行，造成电容器损坏，感性负载在工作过程中由于需要建立磁场，因此需要从系统吸收大量的容性无功功率，从而导致功率因数偏低。同时，水泥企业存在补偿不足、补偿不及时及部分退出电容补偿的问题，这些问题造成了电能损耗。一些新型电气设备，如有源滤波装置及SVG的应用，对治理企业电能质量和节能降耗变得尤为重要。通过对电能质量的治理，一定程度上能够给企业节省经济成本，保障企业电气设备的安全运行。

1 谐波概述及危害

在交流电网中，许多非线性电气设备的投入运行，其电压、电流会产生波形畸变，实际上不是完全的正弦波形，而是一定程度畸变的非正弦波。对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，得到频率与工频相同的分量称为基波，得到的频率大于1整数倍的基波频率分量称为谐波[1]。不管3次谐波还是5次谐波，其都是正弦波形。

谐波是造成电网电能质量污染的重要原因，工业中常见的谐波源主要有换流设备（变频器）、铁芯设备（变压器）、电弧炉、照明设备（LED灯具）等非线性电气设备。

谐波的存在会严重影响电网的安全运行，其危害主要表现在以下几方面：

第一，谐波电流在变压器中，产生附加高频涡流铁损，会使变压器过热，从而降低了变压器的输出容量，导致变压器的噪声增大，严重影响变压器的使用寿命。

第二，谐波电流的趋肤效应会使导线等效截面变小，增加线路的损耗。

第三，谐波电流、电压对附近的通讯设备正常运行产生干扰。

第四，谐波产生的瞬态过电压和暂时过电压破坏电机等设备的绝缘，导致三相短路，烧毁变压器及相关电容柜投切设备。

第五，谐波电压、电流会引起公共电网中局部产生串联谐振和并联谐振，造成严重事故。

2 谐波与电容器的关系

谐波产生谐振，电力网中存在电容补偿，其与系统的感性部分组合，在一定频率下，可能存在串联或并联的谐振条件，当系统中某次频率的谐波足够大时，就会造成危险的过电压或过电流。危险的过电压或过电流往往会引起电容器熔丝熔断或使电容器损坏。电容器的容抗与频率成反比，频率越高电容器的容抗越小，施加的电压不变，长期过电流运行，为了躲过电容器的启动涌流，保护电容的熔断器的整定值会较大，不能有效保护，造成电容器烧毁[1]。

例如，IC=I1+Ih。其中，IC=电容器的运行电流;I1=电容器额定电流;Ih=流入的谐波电流，如果IC=I1+Ih>1.3I1，电容器就会出现故障。谐波与电容器的关系如图1所示。

3 谐波治理措施

目前，企业大量的非线性用电设备产生的谐波必须要进行治理，使谐波分量不超过国家标准，笔者选择采用有源滤波装置治理谐波。有源滤波装置通过外部电流互感器采集负载电流信号，通过内部的检测电路模块分离出其中的谐波，通过内部电路模块产生一个和系统的谐波频率相同、幅值相同，但相位相反的谐波电流，触发IGBT逆变器将谐波补偿电流注入到电网中，用以消除谐波电流。具体工作原理如图2所示。

谐波治理的作用：延长设备寿命，减少设备采购投资;保证设备稳定工作，确保生产稳定;减少能耗，节能减排，保护环境;降低公用电网谐波污染，获得供电部门的奖励。

4 SVG补偿措施及优势

功率因数是衡量电气效率高低的系数，功率因数越低，有功率就越小，同时无功功率越大，供电设备的容量就不能得到充分利用，采用先进的电子设备提高功率因数是解决电能损耗的主要目的。目前，企业采用的无功补偿装置多为电容器补偿，随着电力电子技术的快速发展，电容补偿较SVG静止无功补偿存在的劣势较为明显，一种新型的SVG静止无功补偿装置应运而生。

SVG静止无功发生器是利用可关断电力电子器件（IGBT）组成自换相桥式电路，经过电抗器并联在电网上，工作中通过调节逆变桥中的IGBT器件的开关，可以控制直流逆变到交流的电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流。其可以迅速发出大小相等、相位相反的无功功率，从而发挥出动态无功补偿的作用。SVG补偿具体工作原理如图3所示。

SVG补偿的优势：SVG无功补偿装置是利用电源模块进行补偿的，补偿功率因素能够达到0.99以上。SVG无功补偿响应快速，实施跟踪，动态补偿，SVG在10毫秒左右的时间内就能实现一次无功补偿。SVG可以从0.1千法开始进行无极补偿，完全实现了精确补偿。SVG既不会增加谐波也不会放大谐波，而且能够过滤50%以上的谐波。此外，使用寿命长，SVG正常使用寿命可达10年以上，基本上不需要维护，自身损耗也极小。

5 谐波治理和SVG补偿实施方案

以在某水泥企业项目熟料冷却配电系统中配置的SVG补偿柜和有源滤波柜低压系统配置为例，SVG补偿柜容量是通过需要系数法计算该项目补偿容量后计算选择的，根据负荷计算无功补偿量为536 kVar，考虑一定的余量，设备选择300 kVar的SVG无功补偿柜两台。

6 谐波治理和SVG补偿的意义

水泥企业低压系统谐波治理后，无功补偿柜就可正常投入使用了，从而提高功率因数，减少变压器的有功和无功损耗。根据以下公式计算，形成如表1所示的表格。

提高功率因数能够减少线路损耗。由于提高了功率因数，减少了无功负荷，从而减少了供电线路及变压器的电流[3]。有功功率、无功功率和视在功率的关系图如图4所示。

λ为功率因数，φ表示有功功率与视在功率之间的夹角，即为功率因数角，通过功率因数能够清晰地表达出有功、无功以及视在功率的关系。

功率因数的提高可以增加配电设备的供电能力，由图4可知，提高了功率因数，在有功功率一定的情况下所需的视在功率及负荷电流均会减少。对现有设备而言，需要变压器的容量和电缆截面就有了剩余，一定程度上可增加企业负荷。当企业增加一定的改造设备容量时，已有配电设备的容量也可以满足。同时，在新建项目时由于功率因数的提高，可减少供電电缆线路的截面及变压器容量，在设备选择上节约了投资成本。

7 结语

文章通过对企业谐波问题的治理，解决了谐波电容补偿问题，从而提高了企业的功率因数。目前，很多水泥企业都存在变压器利用率不高、电能损耗的问题，提高供配电系统的功率因数，能够降低变压器的容量配置，从而为企业创造经济价值。通过引进先进的电气设备，如有源滤波装置及SVG补偿设备，对企业电能质量和节能降耗起到了重要作用，为企业节省了经济成本。通过治理谐波，也保障了企业电气设备的安全运行。

参考文献

[1] 本书编辑部编.钢铁企业电力设计手册[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[2] 中国航空规划设计研究总院有限公司编.工业与民用供配电设计手册[M].第四版.北京：中国电力出版社，2017.

[3] 刘介才.工厂供配电[M].北京：机械工业出版社，2016.