盐化工企业电气谐波的分析思路与治理措施

1 前言

电力系统的电源波形，理论为正弦波。当这个正弦波电压施加在非线性负载电路时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成为非正弦波，对非正弦波作傅里叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波分量的则称为谐波。常用的电气量正弦波频率为50Hz，即称为基波；谐波为基波频率的整数倍，例如频率为150Hz的正弦波形称为3次谐波，频率为250Hz的正弦波称为5次谐波，频率为350Hz的正弦波称为7次谐波。依次类推，使电网受到影响的是3次谐波及其它倍数的谐波，尤其以3次谐波的影响最为严重。如今广泛使用的负载大部分是非线性负载，如整流器、软启动器（可控硅、电动启动器等）、变频器、起重机、电梯、泵类等；还有不间断电源装置UPS、家用电器的空调器、电视机、微波炉、计算机、复印机、带 镇流器的荧光灯等设备都是非线性负载，这些都是谐波产生源头。在使用中会产生大量的谐波电流注入到电网中使电网电压产生畸变，会对电网及用户用电产生严重危害。还有一些用电设备如电弧炉、焊接设备等这些冲击性、波动性较大的负载在运行中将产生大量的高次谐波，可引起电压波动、闪变和三相电路不平衡等电能质量问题，从而危害电力系统的安全运行。与此同时，谐波的存在还使电能损失增加，无形中提高了企业的生产成本。因此，盐化工企业应充分认识供配电网中存在的不同程度的谐波，加强对谐波的管理，采取有效措施来抑制和消除谐波的影响，已经成为安全、稳定和经济用电的当务之急。

2 谐波危害的分析

谐波将对盐化工企业的用电形成较大的危害。

（1）增加电能损耗

谐波的存在加大了线路损失，使电缆过热，绝缘老化，降低电源效率。如在常规工矿设计中，一建筑物引入三相四线回路穿线在非绝缘管内，并埋墙暗敷至总配电箱，三相电流基本平衡，电流为60Ａ.在无谐波电流侵入时导线截面取为3×16＋1×10ｍｍ２，当谐波电流含量为20％时，中性线电流安培数就会增大到36Ａ，而相线导线载流量就要按0.86降低系数取值，导线就要按70A取值，其截面就要变为4×25ｍｍ２.

（2）影响补偿电容

谐波可使电容过载发热，加速电容器老化甚至击穿；并且谐波经过无功补偿电容后，谐波电流补充放大，也说是电容将谐波的危害进一步扩大。

（3）影响保护装置

谐波可使保护装置产生误动作或不动作，导致区域性停电事故。因线路中继电保护装置是按基波负序量确定整定值大小，若谐波电流干扰叠加到极低的整定值回路中则会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。

（4）引起电网谐振

造成电网谐振。谐振电压对电网危害极大，诸如造成电压互感器线圈烧毁熔断，电网设备绝缘损坏，甚至造成相间短路等故障。

（5）影响电机运行

影响电机效率和正常运行，产生振动和噪音，缩短电机寿命。

（6）危害中性线

零序谐波导致中性线电流过大，造成中性线发热甚至引起火灾。

（7）污染公用电网

使公用电网中的元件附加谐波损耗而降低发电、输电设备效率，并且使接入电网的设备如电视机、计算机等无法正常工作。同样还会使公用的中性线电流加大，造成线路超载过热从而影响正常工作。

（8）影响变压器

谐波电流，特别是3次及其倍数的谐波电流的侵入。三角形连接的变压器会在其绕组中产生环流使绕组发热；对星形连接的变压器中性线接地系统同样也会使其发热使供电受到影响。

（9）干扰控制仪器

谐波可使测量设备及仪表（电压表、电流表、电度表等）因谐波影响而造成测量误差，严重时可误差到20%，对电子设备的影响：很多要进行过零检测并以基波频率为准的设备因谐波的影响造成过零误动作。诸如半导体器件常常工作在电压的过零点动作，以减少电磁干扰和闪变电流，加入谐波后影响了开关的正常动作；电压突变会影响电子设备误动作，甚至损坏；对通电线路产生谐波电压的静电干扰和静电电流的电磁干扰：由于人体对1kHz声音最敏感，因此约1kHz的高次谐波对电话通讯设备影响比基波大的多，会使通讯受到影响。

（10）影响人的健康

谐波将会使人体细胞在受到兴奋刺激时，在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动，如果波动频率与谐波频率接近电磁辐射就会直接影响人的脑磁场及脑细胞，使人的身体健康受到影响。

3 谐波的治理措施

（1）加强认识，把好设计关

建设单位要加强对国家及地方相关标准和相应技术规范的宣传贯彻，加强电网谐波的分析和测量；加大审查力度，严格把好电气工程设计、工程施工及设备选型等关口。在开始阶段就要考虑到其设备的谐波污染程度，使谐波限制在标准允许的范围内。在分清谐波来源的基础上加大投资，采取有力措施，严格治理。

（2）做好技术分析

进行工程项目的规划设计时，应考虑项目可能对已有架空输电线路的无线电干扰及电磁环境卫生。用户专用天线通讯设备所需频段应经天线管理部门批准方可占用，易受辐射干扰的电子设备不应与潜在的电磁干扰源贴近布置；建筑物建筑群内不得设置大型电磁辐射发射装置、核辐射装置或电磁辐射较严重的高频电子设备。企业附属的医技楼、专业实验室等特殊建筑内必须设置大型电磁辐射装置、核辐射装置或电磁辐射较严重的高频电子设备时，应采用屏蔽措施。

（3）谐波抑制方法

在对谐波的形成机理、危害程度等进行认真的分析后，着手对谐波进行有效的治理，以确保电能质量合格。

1）严格按规范设计

公共连接点全部用户向该点注入的谐波电流分量和谐波电压（相电压）应参照《民规》JGJ16－2008所列22．3．1－1、1－2表中有关限制规定进行设计。建筑物谐波电源较多的供配电系统，应选用D，Yｎ11接线组别的配电变压器，且该变压器的负载率不宜高于70%；由配变电所引出的配电线路应采用TN－S或TN－C－S系统。当采用TN－C－S系统时电子信息系统机房电源进户端从开始中性线导体（N）与保护导体（PE）应严格分开。电子信息系统机房电源进线处应设置限压型浪涌 保护器，保护器的残压与 电抗器之和不应大于被保护设备的耐压水平的0.8倍。

2）抑制电容器电压

如果采用选相断路器投切电容器则可以消除或基本消除投切电容器时产生的瞬态电压。在谐波与电力电容器组并存的情况下电力电容器对某次谐波电流产生放大作用，不仅使电力电容器产生过电流、过电压，也危及系统的运行安全。故应在回路中串联滤波电抗器，不仅能限制合闸涌流及其谐波，而且还会降低谐波次数，缩小谐波电流放大。

3）抑制互感器的铁磁谐振

其方法是采用中性点不接地的电压互感器或电容分压器使它脱离谐振区，从根本上避免铁磁谐振。

4）抑制整流和逆变谐波

抑制整流和逆变产生的谐波：方法一是在变频器前加穿铁管并接地；方法二是变频器的电源电缆采用屏蔽电缆也穿管并接地。变频器输出电缆屏蔽后在接变频器处和电机处两端都要接地。把这些谐波敏感设备，诸如电子马达控制器、变频装置的电子控制器、电子计算机 控制设备等远离谐波干扰源设备置，有利于减少敏感设备的干扰，以保证系统正常工作。

5）抑制发电机谐波

在三相四线制中，当两台或多台发电机组并联运行时，中性导体就会产生3次谐波环流。环流的大小与某些因素有关：①三相负荷的平衡度；②两机组有功负荷分配不平衡度；③两机组无功负荷分配即功率因数差异程度，这种三次谐波电流必须加以限制。其方法是在中性点引出导体上加装 刀开关，以切断发电机间谐波电流的环流回路，也可以在每台发电机中性点引出导体上装设电抗器，并按规定的技术条件选择，就可以在保持中性母线电压偏移不大的条件下，有效的限制中性点引出导线的电流使其工作在允许的范围内。

6）采用脉宽调制技术

脉宽调制（PWM）技术的基本原理是控制输出波形的各种转换时刻，保证四分之一的波形对称性，使需要消除的谐波幅值为零，基波幅值为给定量，从而达到消除谐波和控制基波幅值的目的。因此，采用PWM技术和可关断电力电子器件，不仅可使整流装置的输入电流消去低频谐波，而且小的LC滤波器可去滤除高次谐波，使输入电流接近正弦波。

7）选用有源或无源滤波器

①选用有源滤波器（APF）是电力电子自动控制技术和高速计算机等最新技术的综合，APF是根据电流互感器测量负荷电流的谐波含量并经过实时运算后，通过逆变器产生一个和系统中各次谐波大小相等，相位相反的谐波电流注入到电网中，以达到消谐的目的。有源滤波器有以下特性：1）可根据谐波负荷自动调节，无须考虑负荷谐波的次数；2）不会发生过载危险；3）与电源设备兼容；4）可以连接到电气网络的任何点；5）可以在同一电气系统中使用多个调节装置即可并联多个APF，扩展滤波能力以提高治理效率，较成熟的AccuSine滤波器，在滤波的同时还可进行无功补偿。无功补偿电流是根据系统无功量需求动态变化的，不会出现过补偿，柔性的无功补偿不会产生涌流冲击。另外，通过外部CTE采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块。该模块将基波成分分离，将谐波成分和AccuSine已发出的补偿电流比较，得到差值为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。全频谱消除型有源电力滤波器适用于208-408V三相电压，可在每相50-3000A之间滤波。可滤除60Hz以下所有谐波。工作频率50/60HZ，功能包括功率因数校正，对负荷变化的瞬间响应。人们通过实测得出，从滤波器检测到系统谐波电流到注入补偿电流的时间100μｓ，消除谐波电流的时间7.8ｍｓ，是比较安全、可靠、经济的,它是能提高供配电系统电能质量的好产品。

②无源滤波器（PPF）。无源滤波器是利用电容、电抗、电阻元件构成的吸收谐波电流的滤波器。无源滤波器只是用于设计需要消除特定的谐波次数，称之为单调谐型滤波器。无源滤波器的技术是比较成熟的，它的优点是：1）电压可以做得较高，容量可做的较大；2）在吸收高次谐波的同时，可以补偿无功功率，改善功率因数；3）结构简单、维修方便、成本较低。在工程应用中，一般是将无源滤波器和无功功率补偿装置结合起来使用效果更显著。无源滤波器比较适合400V，三相电压；功率等级可达到：3次谐波，510kvar/760Ａ；5次谐波，265kvar/470Ａ；7次谐波，145kvar/225Ａ；11次谐波，105kvar/145Ａ.

4 结束语

综上所述，随着非线性用电设备的广泛推广应用，盐化工企业供配电系统运行中的谐波问题越来越严重。谐波的存在将造成电能质量下降，设备运行出现故障，甚至造成断电及火灾事故。为提高电能质量，盐化工企业必须加强对谐波的管理，采取切实可行的措施，对谐波综合治理。切实掌握谐波抑制与治理的规范及标准，从设计源头把好关，将谐波的危害消灭在萌芽状态，使企业保持持续、稳步和健康发展。