電磁加熱器的諧波干擾治理

楊利建

【摘 ?要】隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，用電需求不斷增加，特別是近幾年變頻器、整流設(shè)備及電磁加熱器投入市場，給電網(wǎng)帶來了諧波與電磁干擾。本文著重介紹電磁加熱器諧波干擾的治理。

【關(guān)鍵詞】諧波;電磁干擾;功率因數(shù);中頻爐;畸變

1諧波的概述

1.1諧波的定義

供電系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。

1.2諧波源

諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備，電力系統(tǒng)中電力電子裝置是最主要的諧波污染源，例如這兩年的電磁加熱器就是代表.

1.3諧波產(chǎn)生的原因

諧波產(chǎn)生的原因就是由于非線性負(fù)載所導(dǎo)致的。比如說當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，形成非正弦電流，就是電流的畸變。同理，電壓波形不再保持理性的正弦變化波形稱為電壓畸變。而電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生是由于電網(wǎng)中存在著非線性負(fù)荷，例如電力變壓器和電抗器、可控硅整流設(shè)備、電弧爐、以及電磁加熱器等，另外，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生諧振時(shí)，也就產(chǎn)生了諧波。

2電磁加熱器

2.1電磁加熱器介紹

電磁加熱器（Electromagnetic heater）是一種利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)化成熱能的裝置，電磁加熱控制器將AC220V，50/60Hz的交流電整流變成直流電，再將直流電轉(zhuǎn)成頻率為20-40KHz的高頻高壓電，或者是380V 50/60Hz的三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電再將直流電轉(zhuǎn)換成10～30KHz的高頻低壓大電流電，用來工業(yè)產(chǎn)品加熱。目前我們用的最多的是AC380V 50Hz，10～15KHz的中頻加熱設(shè)備，它常常與電磁加熱線圈配套使用。

2.2產(chǎn)生根源

電磁加熱器在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較高含量的諧波電流并且功率因數(shù)較高，其中整流裝置為 6 脈波整流的中頻爐，其特征諧波為 6n±1 次諧波電流（即 5、7、11、13？？？次諧波），大量諧波電流會(huì)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)中，是電網(wǎng)負(fù)載中最大的諧波源之一。

3中頻爐概念

中頻爐，中頻電爐使用電源方式不同于工頻電鍋爐，是將380V的工頻交流電源輸入中頻電源柜（中頻電源柜內(nèi)，一般是10-30KHz，具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、如有過壓、過流現(xiàn)象會(huì)自動(dòng)停機(jī)報(bào)警），在中頻電源柜內(nèi)將工頻交流電源整流為單相直流電，再通過逆變成為單相交流中頻電壓、電流（單相交流中頻電壓、電流是安全的），將單相交流中頻電壓、電流輸入加熱器產(chǎn)生感應(yīng)電對(duì)鍋爐內(nèi)的物體進(jìn)行感應(yīng)加熱。

4電磁加熱器產(chǎn)生的危害

電磁加熱器對(duì)電磁爐加熱，產(chǎn)生的諧波會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的完全運(yùn)行，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ?危害一：諧波電流在變壓器中產(chǎn)生渦流，使變壓器過熱，降低了變壓器的輸出容量，使變壓器的噪聲增大，嚴(yán)重影響變壓器的壽命。危害二：諧波電流的趨附效應(yīng)會(huì)使導(dǎo)線等效截面變小，增加線路損耗。由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導(dǎo)體截面積越大趨膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。危害三：諧波過電壓會(huì)影響電網(wǎng)上其它各種電氣設(shè)備不能正常工作。諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響，主要是增加電動(dòng)機(jī)的附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時(shí)使電動(dòng)機(jī)過熱。尤其是負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，形成與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，起制動(dòng)作用，從而減少電動(dòng)機(jī)的出力。另外電動(dòng)機(jī)中的諧波電流，當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時(shí)還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。危害四：導(dǎo)致自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生誤動(dòng)作，儀表計(jì)量不準(zhǔn)確。對(duì)于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時(shí)由于對(duì)電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數(shù)越高影響越大;熱磁型的斷路器，由于導(dǎo)體的集膚次應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低;電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產(chǎn)生。對(duì)于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。對(duì)于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點(diǎn)，線圈溫度升高使額定電流降低。對(duì)于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動(dòng)作。危害五：諧波會(huì)干擾附近通訊設(shè)備正常運(yùn)行。危害六：諧波產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓會(huì)使設(shè)備的絕緣破壞，產(chǎn)生短路故障。危害七：諧波會(huì)引起公共電網(wǎng)中局部產(chǎn)生并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，導(dǎo)致設(shè)備故障或損壞。

5電磁加熱器諧波治理方案

1）加大變壓器容量，相對(duì)于諧波干擾相應(yīng)地減小，并在諧波源配電柜處，電容器加裝串聯(lián)電抗器，防止電容對(duì)諧波的放大。2）就地諧波治理最重要：在該中頻爐出線回路中并聯(lián)一臺(tái)有源濾波裝置，有源濾波裝置的優(yōu)勢：（1）有源濾波是濾除諧波最有效的方式，其基本原理是“抵消”，有源濾波裝，置檢測出諧波電流后，產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等極性相反的補(bǔ)償電流，從而抵消諧波電流分量，使電網(wǎng)電流中只含基波分量。（2）有源濾波能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。（3）濾除諧波的效率能達(dá)到 90%以上。（4）裝置對(duì)尖峰過電壓、諧波過電壓、操作過電壓等進(jìn)行綜合諧波保護(hù)。尤其是對(duì)諧波過電壓能起積極的消諧作用，保護(hù)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，不受過電壓干擾。3）對(duì)整流設(shè)備增加整流倍數(shù)4）保持三相負(fù)荷平衡5）加強(qiáng)對(duì)非線形負(fù)荷用戶的管理，組織有關(guān)人員在送電前進(jìn)行諧波評(píng)估，嚴(yán)格執(zhí)行供電營業(yè)規(guī)則第五十五條：電網(wǎng)公共連接點(diǎn)電壓正玹畸變率和用戶注入電網(wǎng)的諧波電流不得超過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93的規(guī)定。這些條款已經(jīng)對(duì)諧波治理有了明確的要求，但實(shí)際存在著很大的差距，主要表現(xiàn)在：供電企業(yè)基層對(duì)諧波產(chǎn)生的原因及危害不太了解，供電企業(yè)目前沒有普及諧波測試的設(shè)備和技術(shù)，由于專業(yè)測試數(shù)據(jù)儀器成本較高。

6結(jié)束語

諧波污染已引起社會(huì)的高度重視。以電磁加熱器為例，隨著對(duì)諧波產(chǎn)生的機(jī)理、諧波現(xiàn)象的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，將會(huì)找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時(shí)也有助于制定更加合理的諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。加大對(duì)諧波研究的投入將會(huì)大大加快對(duì)諧波問題的解決，當(dāng)然諧波問題的最終解決將取決于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展。隨著國民經(jīng)濟(jì)、諧波抑制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、法制的進(jìn)一步完善和對(duì)高效利用能源要求的增強(qiáng)，諧波治理問題最終將會(huì)得到妥善的解決。在國內(nèi)，電能質(zhì)量治理工作已經(jīng)深入開展，對(duì)綜合動(dòng)態(tài)的諧波治理措施及電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償問題已提上日程。但是要消除諧波污染，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展高效的濾波措施外，在設(shè)計(jì)、制造和使用非線性負(fù)載時(shí)，應(yīng)預(yù)先采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正減少由于諧波污染帶來的種種危害。

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（作者單位：武漢吉隆集團(tuán)）