淺談使用諧波濾波器提高配電質(zhì)量

蔣創(chuàng)

【摘要】文章通過對自動化設備配電系統(tǒng)諧波分析，從而提出自動化設備諧波解決方案，這對于使用諧波濾波器提高配電質(zhì)量有一定的作用。

【關鍵詞】諧波；濾波器；配電；質(zhì)量

一、對自動化設備配電系統(tǒng)諧波分析

（1）用電需求情況。一是由于生產(chǎn)工藝上的要求，變頻器設備在生產(chǎn)線設備上占有大量的比例，超過整個配電系統(tǒng)裝機容量的25%。變頻采用的是相位控制技術，在相位變換后會產(chǎn)生含復雜成分（整次或分次）的諧波。二是網(wǎng)絡計算機技術等在電控系統(tǒng)中的廣泛應用，也將造成多次諧波電流。三是熒光燈等照明設備的使用也會造成配電系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流。（2）存在的問題。首先，諧波來源。配電系統(tǒng)中的諧波主要來自兩個方面：一是負載本身含有大量的諧波源，這些諧波源可以產(chǎn)生大量的諧波電流，通過線路阻抗，又可以致使系統(tǒng)電壓中出現(xiàn)諧波電壓；二是公用電網(wǎng)本身含有一定量的諧波電壓，這部分諧波可以由網(wǎng)側傳輸至配電系統(tǒng)。配電系統(tǒng)中的負載有以下特征：一是單相負載多。配電系統(tǒng)中，單相負載占到一半以上，而單相負載可以引起零序諧波，并能造成三相不平衡以及三相相差不對稱等問題。二是非線性負載比例高。配電系統(tǒng)中的除了主要設備，還有個人電腦、復印機、通訊設備、照明設備。部分配電系統(tǒng)中還會有UPS、一次電源等負載，這些負載都是配電系統(tǒng)中的主要諧波源。三是諧波源諧波畸變率大。據(jù)測試，配電系統(tǒng)中的諧波源的諧波畸變率都較大，如個人電腦諧波電流畸變率為100%，UPS畸變率約為20%～30%，一次電源諧波電流畸變率通常為40%～50%。四是配電中的大多數(shù)智能化及自動化設備對供電電能質(zhì)量要求較高，特別是對諧波敏感。其次，諧波危害。配電系統(tǒng)的諧波電壓和諧波電流，對配電系統(tǒng)造成了極大的污染，不僅惡化了電網(wǎng)電能質(zhì)量，并對各種用電設備也造成了一定的危害。諧波對配電系統(tǒng)的危害主要有兩部分：一是對配電網(wǎng)絡的危害。使變壓器產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱量增加以及產(chǎn)生脈沖轉(zhuǎn)矩和噪聲；加速絕緣線纜老化、發(fā)熱量增加、壽命縮短。嚴重時使系統(tǒng)短路，發(fā)生配電故障甚至造成人身傷害；對斷路器、熔斷器、繼電器等各類保護設備產(chǎn)生干擾，使其誤動作或者舉動作。二是對用電設備的危害。使照明設備縮短壽命，對白光光源的照明設備影響更大。美國IES照明手冊明確指出，若諧波電壓畸變率達到5%，則白熾燈壽命縮短47%；使電壓表、電流表等各類電子測量設備測試誤差增加；容易引發(fā)無功補償設備的串聯(lián)諧振或者并聯(lián)諧振，引起電容器漲肚甚至爆炸、導致無功補償設備無法投切、系統(tǒng)功率因數(shù)無法提高。

二、對自動化設備諧波解決方案

根據(jù)國家對配電系統(tǒng)的要求，也是出于對用電設備的保護，必須對各種非線性負載注入電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流加以限制。當負載產(chǎn)生諧波或供電系統(tǒng)中存在諧波且超標時，則需要設置濾波無功補償裝置。（1）濾波無功補償。典型的諧波濾波器回路包含3種最為常見的諧波（5次、7次及11次）頻率。每臺濾波器包括一臺電磁接觸器、熱繼電器、電抗器和電容器。由控制器根據(jù)配電系統(tǒng)中所需補償?shù)臒o功功率控制其每個回路的投切，達到功率補償和抑制諧波的效果。這需要對進行設計的低壓配電系統(tǒng)中可產(chǎn)生諧波的負載進行統(tǒng)計，根據(jù)需要吸收的諧波次數(shù)，設置合適的LC參數(shù)，設計出相應的濾波分支路裝置。在具有諧波源的母線上，安裝濾波電容器組的無功功率補償，大部分諧波電流都流向濾波器，可吸收80%～90%諧波量，只有10%～20%的諧波量注入到上級電網(wǎng)，對系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波電壓很小。（2）調(diào)諧無功補償。在沒有諧波量限制的地方，可以使用調(diào)諧式電容器組，典型的調(diào)諧頻率是204 Hz和189 Hz，分別與6%的電抗器和7%的電抗器相對應。與使用6%的電抗器相比，7%的電抗器通常允許連接更多的非線性負載。此種情況下，諧波的主要成分都注入到上級電網(wǎng)中去。所需的段數(shù)則取決于負載功率因數(shù)和目標功率因數(shù)。（3）實例。對于一個設有10kV高壓配電所的企業(yè)，對其中某個變壓器系統(tǒng)進行設計時，就要考慮其設備的諧波污染度，妥善的辦法是讓諧波源的變壓器系統(tǒng)在低壓側對本地的諧波進行吸收，這樣，也可保證全廠的配電安全和配電質(zhì)量。因此，合理的設計模式就是采用變壓器低壓側濾波無功功率補償，設計中主要的程序如下：一是計算出變壓器低壓側無功功率最大變動范圍，按最大無功負荷配置無源濾波器的總功率（基波補償功率）。二是估算出低壓側各次諧波的可能最大諧波電流，主要為5次、7次及11次諧波電流值。三是按各次諧波電流大小，確定電容器是否需要串聯(lián)電抗器。四是將無功功率也按各次諧波電流相對大小分配在各次的單調(diào)諧濾波器上。實際安裝投入使用后，諧波源所產(chǎn)生的諧波在變壓器的低壓側被有效吸收，諧波電壓畸變值只存在于非常低的范圍內(nèi)，不僅改善了低壓側的諧波和功率因數(shù)，也改善了全廠高壓側的諧波和功率因數(shù)。

目前，濾波無功功率補償產(chǎn)品有眾多品牌，高端產(chǎn)品有FRAKO等，擁有多種類型和組合形式可供選擇，F(xiàn)RAKO甚至提供組裝成型并經(jīng)過嚴格測試的低壓調(diào)諧電容補償模塊，可根據(jù)諧波次數(shù)、功率因數(shù)等參數(shù)選擇直接安裝在低壓配電系統(tǒng)中，在諧波治理，改善供電質(zhì)量中，具有較好的效果。