低压系统谐波治理实例_低压谐波治理

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低压系统谐波治理实例

摘要：该文针对某电缆厂400V低压无功补偿柜的情况，通过对负荷分析、现场测量和理论推算，确定故障的谐波原因，然后采用了造价相对较低和易于实现的无源滤波器LC串联滤波的方法，取得了一定的谐波治理效果。

关键词：低压；谐波；无源滤波器；LC串联滤波

中图分类号：TM712 文献标志码：B 文章编号： 1003-0867(2005)01-0006-02

随着工业经济的迅猛发展，大量的直流设备、变频调速设备及其它非线性负荷的广泛应用，愈来愈多的谐波电流被注入了电网。高次谐波的产生，增加了电能谐波损耗，降低了系统功率因数；对电力网有很大的危害，它不仅影响电网的质量，而且还对电网的可靠性有很大的影响，严重时造成继电保护误动，烧毁微机保护线路板、数字电能表及其它微机装置。本文主要就某电缆厂400V供电系统谐波治理实例，对LC交流滤波器合理的选择进行理论计算和讨论。故障现象

该电缆厂400V供电系统由两台欧式箱式变电站组成，每台箱变的接线方案一致，但每台箱变出线所带负荷不一样。

两台欧式箱式变电站投运不久，1号箱变就发生了无功补偿柜中元器件损坏的情况。损坏的元器件主要是电容接触器和熔断器，烧毁最严重的是电容接触器。当时分析认为一种可能是电容接触器的桩头接线松动，接触电阻增加，桩头接线发热起火烧坏电容接触器，进而引起接触器上侧的熔断器烧毁；另一种可能性是熔断器对电容器投切瞬间产生的涌流未起到保护作用，致使接触器烧毁，产生的火苗接着损坏了熔断器。随后对烧坏的元器件进行了更换，对所有的接线桩头进行了检查，无功补偿柜整改后继续投入运行。

整改后的无功补偿柜使用不到一个月，再次出现了元器件损坏的情况。元器件损坏的位置、现象基本上和上次的情况一样。这是桩头接线松动无法解释的。原因分析 两次无功补偿柜的故障全部发生在1号箱变，而2号箱变安然无恙。对比分析1、2号箱式变电站的负荷可以发现，2号箱变的负载基本上为异步电动机和办公照明负载；而1号箱变所带负载中除了异步电动机还有三台直流电动机，其功率分别为185kW、55kW、30kW。此外，还有大量通过可控硅控温的加热设备。

在两次无功补偿柜发生故障时，该厂的交联电缆生产线都在运转，也就是直流电机和相当一部分的加热设备都挂在1号箱变的低压母线上。该厂的加热回路采用了三相半控桥式整流电路，同时用交流电源对直流电机供电少不了要用整流装置。由于整流装置输出波形的非正弦性，不同相数的整流电路会产生不同特征的谐波电流。如三相桥式的6相脉动整流电路产生的谐波电流主要为6k±1次(5、7、11、13次，等等)见表1。

表1 6相脉动整流装置电流谐波理论数据

谐波次数n 1 5 713 17 19 23 25 谐波电流/% 100 20 14.3 9.1 7.7 5.9 5.3 4.3 4.0 因此，交联电缆生产线在生产时可能对1号箱变400V系统产生了谐波。

根据对负荷性质分析和理论公式的推算，可以确定1号箱变400V系统中存在6k±1次为主的谐波电流。为了证实和明确1号箱变400V系统的谐波情况和参数，对1号、2号箱变进行了多次的对比测量。2号箱变总线电流波形和频谱图分析见图1，1 号箱变总线电流波形和频谱图分析见图2。

对比分析图1和图2，2号箱变总线电流波形为规则正弦波，频谱图分析也表明其电流基本只含基波50Hz电流；1号箱变总线电流波形为非正弦波，频谱图分析可以看出含有3、5、7、11次等谐波。电流总畸变率THDi为52.32%，功率因数0.8，系统阻抗R = 0.1W L = 0.1mH，系统短路容量10MVA。

1号箱变的无功补偿柜之所以数次出现电容接触器和熔断器损坏的情况，其原因就是交联电缆生产线产生的谐波电流被无功补偿柜的电容器放大产生了过电流，致使接触器和熔断器过热损坏。谐波治理

谐波电流不仅影响无功补偿柜的正常使用，致使无功功率电费支出增加，而且对同一箱变内的其它设备如电动机也产生了危害。根据GB/T 14549《电能质量—公用电网谐波》的要求，必须对各种非线性负荷注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。

在电力系统抑制和治理谐波的主要措施有：加大系统短路容量；提高供电电压等级；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，设置交流滤波器等都能减小系统中的谐波成分。对于该电缆厂，由于供电系统的方案已定型，唯一可行和有效的方法是设置交流滤波器进行谐波治理，同时滤波器还能向系统提供所需的部分或全部无功。

交流滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器两种。有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂，运行损耗较大，设备造价高；在补偿谐波的同时，也会注入新的谐波。无源滤波器(又称LC滤波器)是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显；但仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果；且补偿特性受电网阻抗的影响很大，在特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振。系统构成LC滤波器根据其电容器与电抗器的联接方式不同，主要常用的有单调谐滤波器和高通滤波器。它们的结构和阻抗特性如图3、4所示。

该电缆厂的交联电缆生产线为以销定产的生产方式，即有确定的订单才进行生产。根据已有的生产统计，由于生产的电缆为35kV以上电压等级，每月开工两次左右，每次2~5天。从数次现场测量的结果分析，交联电缆生产线产生的谐波的次数固定，且每次谐波电流的畸变率(THDi)上下波动不大。

根据上述测量和分析的情况，决定对该电缆厂的谐波治理采用与母线并联的固定串联LC调谐滤波器，即当交联电缆生产线启动时，LC滤波器投入，当交联电缆生产线停工时，LC滤波器退出；滤波器的电容器容量用来补偿交联电缆生产线谐波源所需的无功功率，原无功补偿柜的电容器由300mF降至180mF以满足其它设备的无功补偿要求，同时控制器更换为带谐波闭锁功能的补偿控制器，以便谐波畸变率超限时切除电容器。对于3、5、7次谐波采用单调谐滤波器，对于9、11次以上的谐波采用以11次为主的高通滤波器。

串联调谐滤波器是用来滤除某一谐波的电容器，通过增加一个在调谐频率fn处XL = XC的电抗器来实现。对于调谐n次谐波的串联调谐滤波器的设计步骤为：

(1)确定电容器容量QC，电容器无功功率要与谐波源无功功率及系统已有无功补偿设备的无功功率进行平衡，无功补偿设备和滤波器总的无功功率略低于负载总无功功率。

(2)电容器的电抗为XC = kU2/QC。5 治理效果

计算结果选择元件构成的电缆厂谐波治理方案对1号箱变的谐波进行了治理。在随后的现场测量表明，1号箱变总电流的波形基本接近正弦波，电压畸变率THDu为2.8%,电流畸变率THDi为6.6%，功率因数保持在0.95左右。

在电缆厂的谐波治理方案中选用了造价相对较低和宜于实现的无源滤波器LC串联滤波的方法，对以直流电机和三相桥式的6相脉动整流装置产生的谐波电流取得了很好的抑制效果，特别是消除了谐波含量较高的5、7次谐波电流。

参考文献：

[1]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社,1998.[2]George M.Wakileh[奥地利].电力系统谐波—基本原理、分析方法和滤波器设计.北京:机械工业出版社,2003.[3]陈志业.尹华丽.电能质量及其治理新技术[J].电网技术,2002(7)． [4]张浩.戴瑞珍.谐波抑制的工程设计方法探讨.电网技术,2002(6).[5]GB/T 14549-1993.电能质量—公用电网谐波[S].请教：无功功率对电动机是无用的。正因为它无用，所以才补偿。是否符合逻辑？

尊敬的外行13：

首先感谢您对我提出的问题，进行详细的答复。我提出的观点有可能是幼稚可笑的，但是通过交流总可以提高认识的，反面教材的作用，有时比正面教材作用还要大。如果都与书中观点一样，就失去了论坛的意义。

您说：“ 无功功率对电动机是无用的。正因为它无用，所以才补偿。补偿就是消除无功功率，是消除不是转化，无功功率不能转化为有功功率。无功功率对作功没有作用，却占用变压器容量，而且无功电流通过电源内阻会增加损耗，所以有必要消除它。补偿原理：电感放电给电容充电，电容放电再给电感充电，如此反复，无功电流只在电感与电容之间出现，不会经过电网。..................................-----------------------对于您提出的观点，我有点不理解，请您再回答一次。

1、“正因为它无用，所以才补偿”。我可能是中国语法没有学好，我认为，有用才能补偿，无用的东西，补多少还是无用的，就像数字中的“零”，在小数点以后，增加多少个零也没有用。没有用还要补，是不符合中国逻辑的。

2、您说“补偿就是消除无功功率”.......。从字面看消除，就应当是减少，消除无功功率的有效方法是：增大纯电阻，减少线圈的长度（圈数），不利用铁磁材料做磁心。把电感性负载变成纯电阻性负载，这种方法谁都知道是不行的，您也不会同意。

补偿对负载来说是越补越多，而不是减少。对总电路来说，输入的无功功率减少，就是您所讲的不经过电网，这种现象是正确的。但不能反映出事物的本质，“内电动势”的作用反映不出来。如果计算总电网的无功功率多少时，“内电动势”是不能省略的，从总体来说，利用电容器补偿无功功率后，发电机输出的无功功率（比以前减少），但补偿的无功功率大于减少的，所以补偿后从总体上看，也不是减少，而是增加。

3、您说：“负载做功大小与有功功率并不是严格的正比关系......还有损耗”。

我要求的不是百分之百的效率，而是做一下，无功功率的变化，对负载做功有没有影响？

在同一个异步电动机中，当负载和电源电压不变时，并联适当的电容器后与没有并联电容器时，负载做功的大小对比，如果无功功率不能做功或增加一部分损耗，在负载做功大小不变时，消耗的有功功率应当不变或增大；起动需要的时间应当与原来一样。

从无数实践中看，并联电容器后，负载大小不变，消耗的有功功率减少，起动的时间缩短一半。这个事实如果您不相信，可到安装电容器的单位看一看。

在电动机中，其它情况都没有变化，只是改变了无功功率的来源，增加一个“内电动势”。电力部门就是根据此现象，推广利用电容器节电的。

4、您说：“有人销售所谓“节电器”，实际就是一个电容器，那是骗人的。他们测量的是视在功率，并联电容后由于消除了部分无功功率，所以视在功率明显减小，其实有功没变”。

我为了研究利用电容器节电问题，去过安装电容单位，他们领导亲自讲：由超电被罚变为节电受奖，他们当埸给我做试验：把电容器开关拉开（断路），电流表指针转动增大1/3左右，然后合上开关，电流表指针又回到原来的位置。如果利用电容器不能节约电能，难道他们和我说假话？电力部门也说假话？请您到基层安装电容器的单位看一看，把利用电容器节电的现象说清楚。利用电容器在低压电网中（感性负载）节约的视在功率占1/4左右，节约的有功功率占1/10左右，根据各单位负载性质不同而不同。

5、您说：“线圈的自感电动势（即感抗）：感抗所消耗的是无功功率。线圈消耗电网的电能转化为磁能，然后磁能又转化为电能转化为电能反送回电网，如此反复。我们测量的无功功率就是线圈充电功率与放电功率的和，充电功率（耗电）与放电功率（发电）相互抵消，所以实际不耗电”。

电感线圈本身不消耗电能是正确的，正因为这个原因，它才与宏观保守力（重力）一样，才能补偿。如果本身消耗能量（纯电阻），就无法补偿。

从以上情况看，您只看到负载这一方面，没有从整洁个电路方面分析，当电感负载输出电能时，电源电压却变成了负载。从整个电路中看，任何瞬间，负载没有减少，电源电压也没有增加，只是负载与电源在一半的时间中互相转变，因为负载是做功的，所以就把电源电压中消耗的能量，当成是负载消耗的能量。电感消耗能量的根据是产生电压降。

另外电流与电压相位差90度，是时间角度，不是空间角度。纯电感电路中瞬时的平均功率，有的书中认为是：瞬时功率代数和的平均值，它等于零；现在是否已经改变过来，本人不知。

从实践中看，瞬时平均功率应当是瞬时功率绝对值和的平均值，它不等于零。新的计算方法与有无功功率的量纲相一致，与消耗能相符合。

6、您说：“反电动势：它所消耗的功率才是有用功功率（不过还要除去摩擦）。电动机同时也是发电机，电动机的旋转会产生反电动势。反电动势方向始终与电源电动势方向相反..........”。

您讲的转子的“反电动势”，所消耗的才是有用功功率。这个“反电动势”是由电动机转子旋转产生的，它的电流与电压的相位是由谁决定的呢？反电动势输出的全是有功功率吗？

它好比是变压器的二次绕组，输出什么电功率是由负载性质决定的，定子中输入的功率是由转子反电动势决定的。反电动势是转子中的电源，铜损和线圈的感抗是负载，因此反电动势输出的不都是有功功率，其中还有无功功率。

在异步电动机中，两个电动势方向相反，两个电流方向也相反，两个的磁埸方向也相反，在定子中产生的是旋转磁埸（对定子而言），在转子中产生的磁埸是不动的（对转子而言），因异性相吸，定子的旋转磁埸就会带动转子旋转。

又因为定子中的有功功率中的电流，与转子中的有功功率电流方向相反，能产生转矩；同理，定子中的无功功率中的电流，与转子中的无功功率电流也相反。有功功率能做功，无功功率同样能做功，因为它们的相对位置是一样的。

说的太多了，下次再谈。