精细化工行业低压变频器谐波电流的工程估算方法

宋鹏飞，刘昊旻，袁涛

（湖北省化学工业研究设计院，湖北 武汉 430074）

笔者在参与湖北某涂料公司的工程设计时，业主反馈其配电所低压电容补偿柜中的电容器多次炸裂，造成了极大的安全隐患，影响了正常的生产运行。后经检测发现，是因厂区大量使用变频器，产生了谐波电流而造成危险的过电压和过电流，从而造成了电容器损坏。

在精细化工企业中，由于工艺需要，部分低压电机需要采用变频调速，但变频器在运行时会产生大量的谐波。由于谐波电流本身的测量与计算比较复杂，而且在设计时很难获得电气设备使用时的准确数据，因此在精细化工企业动力配电设计阶段，需要对整个项目的谐波电流进行估算。

1 谐波的产生及危害

1.1 变频器运行时产生的谐波

精细化工行业多为中小功率低压电机，而中小功率变频器中应用最广泛的是交－直－交变频器，这种变频有整流器（交流变直流）和逆变器（直流变交流）组成。

变频器逆变侧为PWM方式时，输出产生宽窄不同的矩形波，这些非正弦波可分解为无穷多个频率不同的正弦波的叠加。对周期性交流量进行傅里叶级数分解，得到频率与工频（50HZ）相同的分量称为基波，得到的频率为基波整数倍的分量称为谐波［4］。

对电网而言，变频器就是一个整流装置，变频器网侧谐波电流的次数为 5、7、11、13、17、19、23、25。在考虑谐波产生的影响时，考虑到25次已经足够［3］。

1.2 谐波的危害

（1）低压配电系统中采用电容器进行无功补偿，谐波可能导致电容器与系统中的感性部分发生谐振，引起危险的过电压及过电流，造成电容器熔丝熔断或电容器损坏；

（2）化工厂部分场合配电线路较长（可达300m以上），线路感抗随着频率的升高而增加，三相供电回路中，线电流的3次谐波及奇数倍谐波（3、9、15…）在中性线上相互叠加，可能造成过热甚至熔断中性线；

（3）化工厂存在大量低压电动机，谐波电流会在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，负序谐波电流会作用脉动转矩产生机械振动和噪声。

此外，谐波还会导致变压器的损耗增加，降低断路器的诊断能力，影响测量及计量仪表的准确性，引起电网各类保护和自动装置拒动或者误动作，对通信产生干扰等。

2 工程设计谐波电流估算方法

2.1 常规估算方法

在一般情况下，可以根据下列公式对谐波电流进行估算［2］：

式中：K1为变压器的负载率，常规设计时一般取0.7～0.8；THDi为电流总谐波畸变率，不同建筑的取值可参考电流总畸变率表；ST为变压器的额定容量（kVA）；Us为变压器低压侧额定电压（kV）。

不同场所的电流总畸变率参考图集《低压配电系统谐波抑制及治理》，如表1所示。

表1 电流总畸变率表［2］

2.2 专门针对变频器是否带电抗器估算

目前市面上很多厂家并未全系配置交流侧及直流侧电抗器，部分变频器产品仅部分型号内置直流电抗器，交流侧电抗器均为选配。但是根据变频器厂家提供的数据，当完全不设电抗器时，变频器所产生的谐波电流可达80%－100%。

变频器额定负载时的各次谐波含量依据《电力传动自动化技术手册》中的数据，如表2所示。

表2 三相桥式整流变频器额定负载时的谐波含量表

其中，周期性交流量的电流均方根值等于基波和各次谐波电流均方根为：

式中，I—含有谐波的电流均方根值，V；Ih—第h次谐波电流均方根值，V；I1—基波电流均方根值，V；

表征波形畸变程度的总谐波畸变率，是用周期性交流量中的谐波含量与其基波分量均方根值之比，用百分数表示。

式中：THDI为电流总谐波畸变率（%）；Ih为第h次谐波电流均方根值（V）；I1为基波电流均方根值（V）；HRIn为第h次谐波电流含有率（%）。

通过以上方法得到：交流侧有电抗器时电流总畸变率为41.7%；直流侧有电抗器时电流总畸变率为34.9%；交直流侧均有电抗器时电流总畸变率为31.2%。

本文选取1250kVA变压器，假设负载率为0.8，按照第2节所述常规谐波电流估算方法进行计算。变频器按照无电抗器、带直流电抗器、带交流电抗器、带直流及交流电抗器这四种情况分别计算所产生的谐波电流，如表3所示。

表3 电力变压器（容量1250kVA，负载率0.8）在不同估算方法下的谐波电流值

3 两种谐波电流算法比较及改善建议

3.1 两个谐波电流估算方法比较

（1）采用常规工程设计谐波电流估算方法时，本文无功补偿功率按变压器容量的0.3倍选取，消谐式无功补偿电流按照系数0.2折算，统计出常见各变压器容量补偿后的系统剩余谐波电流，如表4所示。

表4 各容量变压器估算谐波电流值

（2）专门针对变频器是否带电抗器，分别计算出网侧的谐波电流，如表3所示。

变频器未配置电抗器时，谐波电流最大，当变频器容量超过变压器容量20%，常规方法估算的谐波电流值就会低于实际值；

变频器带直流电抗器时，当变频器容量超过变压器容量50%时，常规方法估算的谐波电流值会低于实际值；

变频器带交流电抗器时，当变频器容量超过变压器容量40%时，常规方法估算的谐波电流值就会低于实际值；

变频器同时配置直流电抗器及交流电抗器，当变频器容量超过变压器容量60%时，常规方法估算的谐波电流值会低于实际值。

3.2 建议

（1）三相变压器内部有△接线，3次谐波及其奇数倍的零序电流会在三相绕组内被短路，使馈送给电网的谐波电流含量明显减少。除非特殊情况外，不宜采用全Y接线；

（2）变频器应尽量选配交流电抗器、直流电抗器，可有效降低变频器产生的谐波电流；

（3）优先采用无功功率补偿电容器组串联电抗器的方案抑制谐波，当仍然无法达到标准要求时，需另外配置有源滤波器；

（4）在工程设计阶段只能预估谐波电流值，为防止估算值偏小，设计配电室平面时应考虑预留1－2台的有源滤波柜空位。

4 结论

在精细化工行业，当大量存在低压变频器时，常规方法估算的谐波电流值会偏小，应根据变频器型号（是否带交流、直流电抗器）、容量来估算谐波电流值，并据此选取有源滤波器。