谐波治理方案与分析

-1-谐波治理方案目录1.评估依据：国家标准具体内容………………………………………………………21.1国家标准对谐波的要求…………………………………………………………22.项目概述………………………………………………………………………………22.1现场情况描述项目背景…………………………………………………………22.2现场测试数据……………………………………………………………………52.3结论………………………………………………………………………………93.谐波治理方案………………………………………………………………………93.1谐波来源及危害…………………………………………………………………93.2谐波的防护………………………………………………………………………113.3数值计算…………………………………………………………………………123.4设计选型…………………………………………………………………………144.PQFS有源滤波器介绍………………………………………………………………164.1工作原理…………………………………………………………………………164.2PQFS有源滤波器技术数据……………………………………………………194.3安装方式…………………………………………………………………………204.4控制技术…………………………………………………………………………204.5无功补偿功能……………………………………………………………………214.6PQFS典型应用效果……………………………………………………………215.PQFS有源滤波器照片………………………………………………………………22-2-1.评估依据：国家标准具体内容1．1国家标准对谐波的要求：根据中华人民共和国国家标准《电能质量、公用电网谐波》GB/T14549-93中规定公用电网谐波电压（相电压）、电流限值如下：1）谐波电压限值公用电网谐波电压（相电压）不应超过下表中规定的允许值。电网标称电压KV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率：%奇数偶数0.385.04.02.0104.03.21.62）谐波电流限值a)公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过下表中规定的允许值。标准电压Kv基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值：A23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628131411129.7188.6167.88.97.1146.51210100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.24.72.85.42.62.92.34.52.14.1b)同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。2．项目概述2．1现场情况描述项目背景1）测试现场描述公司车间供电系统进行谐波检测，本次测试仪器选用FLUKE435电能质量测试仪，测试点分别设置在低压配电房总进线开关的输出端（见图一）、阴极涂布机密母插接箱电源开关的输出端（见图二）、化成机密母插接箱电源开关的输出端（见图三）、搅拌机控制箱电源开关的输出端（见图四）。经现场测试，线路存在较大的谐波电流，主要谐波次数为3次、5次、7次、11次。由于供电系统电能质量恶劣，谐波畸变率高，给设备的正常运行带来了极大的安全隐患。-3-2）测试点3#变图一、低压配电房测试点示意图图二、阴极涂布机测试点示意图馈线柜馈线柜采集点-4-图三、化成机测试点示意图图四、搅拌机测试点示意图-5-2．2现场测试数据2．2．1低压配电房测试数据1）电压波形图2）电流波形图3）谐波电流计量屏幕4）谐波电压计量屏幕5）谐波频谱屏幕-6-6）记录数据附录一：低压配电房测试记录数据；附录二：低压配电房测试谐波频谱全图。2．2．2阴极涂布机测试数据1）电压波形图2）电流波形图3）谐波电流计量屏幕4）谐波电压计量屏幕5）谐波频谱屏幕-7-6）记录数据附录三：阴极涂布机测试记录数据；附录四：阴极涂布机测试谐波频谱全图。2．2．3化成机测试数据1）电压波形图2）电流波形图3）谐波电流计量屏幕4）谐波电压计量屏幕5）谐波频谱屏幕-8-6）记录数据附录五：化成机测试记录数据；附录六：化成机测试谐波频谱全图。2．2．4搅拌机测试数据1）电压波形图2）电流波形图3）谐波电流计量屏幕4）谐波电压计量屏幕5）谐波频谱屏幕-9-6）记录数据附录七：搅拌机测试记录数据；附录八：搅拌机测试谐波频谱全图。2．3结论从现场测试得到的数据可以看出，供电线路中3、5、7、11、13次谐波电流含量较高，其中最高的谐波电流总畸变率达123.9﹪，大大超过国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》所规定的谐波限值，供电系统的电能质量污染程度非常严重，存在极大的安全隐患，必须引起有关部门高度重视，应及时治理。3．谐波治理方案3．1谐波来源及危害谐波是对周期性交流量进行付立叶级数分解，得到的基波频率大于1的整数倍的频率分量。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交直流换流站的可控硅控制元件，可控硅控制的电容器、电抗器组等。但是，电力系统谐波更主要来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。各种低压电气设备和家用电器所产生的谐波电流也能从低压侧馈入高压侧，对于这些设备，即使供给它理想的正弦波电压，它的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。非线性负载其谐波含量决定于它本身的特性和工况，基本上与电力系统参数无关，因而可看作谐波恒流源。这些用电设备产生的谐波电流注入电力系统，使系统各处电压含有谐波分量。由谐波引起的设备事故屡见不鲜。谐波已成为污染公用电网和危害其它设备的“公害”。谐波对电力系统或并联的负载产生的种种危害，危害的程度决定于谐波量的大小、现场条件等因素。谐波的危害主要表现为：1）对变压器的危害谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振。其次是产生机械震动、噪声和谐波过电压。2）对继电保护装置的危害继电保护装置采用电磁型和感应型继电器时，基本不受谐波影响。整流型和晶体管型继电器对谐波较为敏感，有可能引起误动作。目前在中压系统大量应用的组合式过流继电-10-器多为晶体管型，其中有些产品设置涌流等功能，能够通过对变压器的投切造成的励磁电流中特定次数谐波进行检测，避免涌流造成的误动作，差动继电器、零序及负序继电器由于整定值小，易受谐波电流影响。3）对电容器补偿装置的危害为提高系统功率因数，通常需装设并联电容器组。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统感抗大的多，不会产生谐振。但对高次谐波，系统感抗大大增加，而容抗减小，就有可能产生并联或串联谐振。并联电容器与供电系统形成并联谐振，会使谐波电流放大，以致于电压及电流的畸变更为严重。此外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电流有效值增大，温升升高，会降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。所以在含有谐波的供电系统中，不能使用单纯投切电容器组的无功功率补偿装置。4）对配电系统的危害对配电的影响主要表现在线路损耗增加，增加功率损耗。同时谐波电压产生的尖峰加速线缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，温升增大，缩短线缆使用寿命。民用建筑常见的三次谐波在N线上的积累，极易造成N线的过载。由于大部分情况下，配电系统在N线上不设置保护装备，N线的超负荷运行，埋下了火灾隐患。5）对低压开关设备的危害对于配电用断路器来说，全电磁型断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热。同时，由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；对于热磁型断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使额定电流与脱扣电流降低；对于电子型断路器，谐波也会降低其额定电流，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波泄漏电流的作用，可使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响触点、线圈温度，使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响，会使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。6）对电动机危害谐波对旋转电动机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使电动机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。正序谐波尝试使电动机运行速度比基波更快,而负序谐波则尝试使电动机运行比基波更慢,在两种情况下,电动机均失去转矩并且开始发热。谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电动机转轴扭曲振动、噪声很大的问题。7）对弱电系统的危害-11-a.当建筑的通讯系统等弱电系统线路采用金属管、金属线槽敷设或采用屏蔽线缆时，谐波通过电磁感应耦合、静电感应偶合方式的干扰基本可以排除.但弱电设备的电源部分如交换机电源、楼控系统DDC现场电源等会受到零线上的谐波干扰，严重时可烧毁电源模块.部分超声波传感器等可能受到影响无法正常工作。b.计算机厂家一般规定其产品允许接受馈电电压的THDu为3～5%，电压峰值和有效值之比必须在1.41±0.1范围内。严重的谐波电压畸变可导致计算机及其UPS工作失常。谐波会使计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。c.各种装有微电子控制的装置的办公电器均会受到谐波影响，严重时可造成电子芯片烧毁。电视机、显示器易受高频谐波干扰，出现闪烁和异常色带。另外，间谐波电压能引起图象翻滚，对阴极射线管的图象产生周期性的放大和缩小。d.各类以电源电压过零点为基准的计时器，在谐波电压含有量较高时，电压过零点增多，计时会出现正误差。8)对测量仪表的危害电工测量仪表通常是按工频正弦设计。其中常见的感应式电能表频率响应很差，记录三次谐波功率时相差20%,记录五次谐波功率时相差可达40%左右。有些用户配电系统中含有大量谐波源，可向电网反送谐波有功功率，可能造成实付电费高于它所消耗的基波有功功率的应付电费。而无谐波源的用户在接受含谐波电压的电源供电时，会由于负载产生的额外的谐波损耗而多付电费。采用均方根值和平均值测量原理的电流表、电压表及电量变送器均会受到谐波影响，产生精度偏差，其中奇次谐波引起的偏差远大于偶次谐波，电压表误差大于电流表误差。采用有效值原理的测量仪表可以获得较宽的频率特性。同样，谐波对相位测量、功率因数测量仪表影响较大。0.5级或更高精度的电磁式CT、PT，对于2000Hz以下的电流或者1000Hz以下的电压，具有较好的频率特性。对于更高频率的谐波分量，CT、PT二次输入值会小于预期值。9)对气体放电灯具的危害气体放电灯具自带的补偿电容，在谐波电流含有率高时，会发热并减少寿命。10)对人体的影响从人体生理学角度说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。3．2谐波的防护-12-近几年来许多厂矿企业大量使用可控硅整流和换流、电弧炉、中频炉等谐波干扰源负荷设备，这些设备在吸收大量无功功率，使用户的功率因数减低的同时，也使谐波问题日趋严重。《中华人民共和国电力法》指出:“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”，《供电营业规则》中规定：“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。”所以用户有义务采取必要的措施治理谐波，保证电压畸变不超过限度。目前谐波防治主要是装用无