变频设备—谐波治理

（谐波危害分析与谐波治理方案设计）

领步（北京）电能质量设备有限公司

项目主管：陈兴龙审核：张朝元编写：马建立王文林一、气浮变电室变频设备产生谐波危害分析

一）气浮变电室配电系统谐波的形成

为实现较高的自动化要求和提高运行效率，气浮变电室配电系统不仅安装有11台90KW变频器来驱动水泵、吊车等负载电机，还配有不间断电源、计算机控制监控、充电机等大量电力电子设备，这些装臵的电源所采用的电力电子设备有别于一般的线性负载，属于典型的非线性负载，它们从系统中吸取能量的方式不是连续的正弦波，而是采用脉冲间断方式从系统中索取电流。这种脉冲电流流经系统的阻抗形成脉冲电压叠加在电网上，使电网电压发生畸变，从而产生大量的谐波。

二）谐波对气浮配电系统的危害分析

1、对变压器的危害

谐波电流使变压器铁损及铜损增加，同时使温度上升并产生噪声。变压器损耗的加大，会使绝缘介质老化加速寿命缩短。由于谐波电流的存在，变压器额定容量可能会加大，从而使变压器利用率降低，增加了建设成本。污水处理厂低压配电系统中，配电变压器均采用三角／星形(△／☆，)接线方式，这给零序谐波(3次及3次的整数倍次谐波)在变压器一次侧绕组内提供了环流通路，从而抑制了3次谐波向电源端的传导。但变压器的这种接线方式并不能阻止其他频率谐波传到电源端，而且无论谐波电流是否被传到电源端，所有的谐波电流均会使变压器损耗加大。

2、对电动机的影响

谐波电流会使电动机损耗增加、利用率降低。电动机损耗的增加使线圈温度上升并使电动机寿命降低。尤其是负序谐波对电动机产生的影响及危害会更大。谐波相序的划分，表示了电动机中相对于基波磁场的旋转方向，可见5次、11次等谐波便是负序谐波，它所产生反方向的旋转磁场会使电动机的转矩下降，它和正序分量一起会使电动机产生抖动，随之产生噪声。谐波电流使电动机功率下降，要保证电动机输出功率，就需增加输入电流，从而造成功率损失，温度上升。

3、对电容器的影响

为提高功率因数及配电变压器的利用率，污水处理厂降压变配电室04kV母线上都设臵电容器补偿柜。由于并联电容器容抗随电流频率的增加而减小，电容器组对谐波电流的低阻抗特性表现出了对谐波的吸收作用，所以电容器组具有一定的吸收谐波作用。但谐波电流的存在可能会使电容器过流发热，甚至击穿绝缘。尤其是当发生某一谐振时，谐波电流会很高，情况更为严重。随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行；严重时爆炸起火。

4、对输电线路的影响

由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装臵出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电力电缆线路，更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成局部绝缘加快老化，甚至击穿的事故。

5、影响继电保护和自动装臵的工作和可靠性

谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装臵的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装臵，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装臵负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装臵等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

6、使测量和计量仪器的指示和计量不准确

由于电力计量装臵都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。

7、对办公生活用电设备的影响谐波会使电视机、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。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装臵，谐波可能使晶闸管误动作，或使触发控制回路工作不稳定，触发不对称，产生非特征次数谐波。

二、谐波治理方案设计

一）气浮配电系统谐波指标分析推算

气浮工序配电系统内主要谐波源负载为各类变频整流设备，单台变频整流设备产生的谐波电流总畸变率为30%左右，严重的能达到80%以上，这些分散的多台变频整流设备产生的谐波在整个变压器低压配电系统内运行时，导致整个400V低压母线谐波电流总畸变率在20%左右，负载比例稍谐波污染低的配电系统谐波电流总畸变率15-20%，中等程度的谐波电流总畸变率在20-25%，严重程度的谐波电流总畸变率达到25-30%，从产生的谐波电流的构成来看，由于都为6脉波整流，产生的谐波遵循6N±1的原理，在系统中谐波电流以5次和7次谐波电流为主要特征谐波，占到总谐波电流的85%以上，也严重超出国家电网谐波标准的安全限值要求，还含有少量11次

和13次谐波电流，约占10%左右，稍超出国家电网谐波标准的安全限值要求，其他各次谐波电流非常少，也在国家电网谐波标准的安全限值要求范围内，不需要考虑治理。

天津某水务有限公司反馈的气浮工序配电系统由两台容量2000KVA变比6.3/0.4KV变压器进行供电，在两条0.4KV母线分别负载有风机、水泵、吊车等由变频器驱动的电机设备，正常运行合计有功功率为2600KW，而11台90KW变频电机合计功率为990KW，占整个设备有功功率的38%，因此依据我们的行业经验判断该配电系统内谐波污染处于中等程度，谐波电流总畸变率推算在15-25%范围内。而每台变压器平均负载1300KW，运行电流应该在1880A 左右，系统母线总谐波电流应该在282-470A范围内，并应该符合变频整流负载谐波构成特点：以5次和7次谐波电流为主，11次和13次谐波电流为辅。

二）谐波治理设备配置方案

鉴于上述谐波含量的分析推断，我们为每台变压器配置300A-450A的有源滤波器各一台，对应选择领步公司型号为CAPF3L-400V/300A或CAPF3L-400V/450A三相三线通用型有源滤波器各台。安装在电容补偿柜和负载出线柜之间，接入安装位置结构如下图所示：

领步公司利用PWM变流技术核心优势，在行业内率先研发成功CAPF-BP系列变频整流设备专业有源滤波器，定向控制IGPT的开放频率，调节闲臵的13次以上滤波能力，精确转换成2-13次滤波性能，聚焦于变频设备产生的2-13次谐波尤其5次和7次谐波电流的动态精确性治理消减，比全频通用型有源滤波器提升35%以上的谐波电流消除能力，特别适用于谐波含量非常高的变频器负载系统，能够解决负载所在系统发热升温、噪声增大、电容补偿投切不上、电路元器件损毁等谐波电流过高引起的危害和故障。已经在汽车零部件制造、纺织编织生产、钢炼线拉制、化工水泥建材厂等多家变频设备的生产线负载得到应用，因为提升了滤波功率单元的滤波能力从而降低了滤波器的单位成本，能够帮助各类变频器负载企业“以无源的价格实现有源动态精确滤波性能”而广受欢迎。

四、领步公司介绍。

领步（北京）电能质量设备有限公司是一家以广大电力用户及电力部门为服务对象高新技术企业，兼为“电能质量研究所”主要从事电能质量优化净化的研究开发和工程应用，是集科研、生产、销售和服务为一体的高科技公司：四零零-零五六-五二五八。

公司坚持“科技先导，以人为本”的战略发展思想，汇聚了一批高素质专业技术人才，不断消化吸收国际电能质量优化净化领域的前沿技术，研发成功国内领先的动态无功补偿装置和高、低压谐波治理系统，投入工程化应用后，其因性能稳定可靠，节电效果显著，而深受广大用户的欢迎和专家的好评。

“净化电能污染，优化电能质量；降低电能消耗，确保节能增效”是企业的核心竞争力，以顾客需求为导向，提供“7ⅹ24小时技术咨询四零零-零五六-五二五八”“专业现场检测分析”“投资收益可行性报告”“设计、安装、调试和技术培训一条龙服务”以及“定期回访和技术支持8小时响应”售后专业化服务，全方位打造技术和服务双优品牌！