金屬電纜加工中的諧波及其治理徐傳虎(廣三510051，廣三南浦電器有限公司)陳(廣三510051，南浦電力濾波工程技術(shù)中心)摘要：介紹了金屬電纜加工工藝中使用的及變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的諧波，及其對(duì)用戶的危害，以及治理措施。關(guān)鍵詞：金屬線纜加工；DC和變頻驅(qū)動(dòng)；諧波與治理電力諧波與濾波技術(shù)與制造技術(shù)前言金屬電纜加工業(yè)在家的建設(shè)和發(fā)展中起著非常重要的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大量的數(shù)控整流和變頻設(shè)備在這個(gè)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。新設(shè)備的推廣大大提高了金屬電纜加工產(chǎn)品的品種、產(chǎn)量和質(zhì)量；但是，大量的整流和變頻設(shè)備對(duì)用戶電網(wǎng)的電能質(zhì)量也有嚴(yán)重的干擾，如諧波分量高、功率因數(shù)低、供電設(shè)備發(fā)熱損耗大、容性無功補(bǔ)償設(shè)備故障率高等。嚴(yán)重影響用戶供電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使生產(chǎn)成本增加，質(zhì)量下降，影響行業(yè)的正常發(fā)展。因此，研究絞線拉絲生產(chǎn)過程中使用的DC及變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生的諧波及其有效處理措施，是提高金屬電纜加工行業(yè)生產(chǎn)效率的新途徑。1.DC和DC生產(chǎn)的諧波扭絞、拉絲等金屬電纜加工技術(shù)中使用的變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備和變頻設(shè)備的核心是采用現(xiàn)代大功率電力電子整流和換向控制技術(shù)。為了降低設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，DC和變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)備的功率元件均為六脈沖(六相)整流器。典型的六脈沖整流器電路如圖1所示。理論上它的頻譜包含諧波次數(shù)n，n=6m ^ 1(m為整數(shù)，m1)，每個(gè)諧波電流的幅值in=i1/n (n=5，7，11，13，…)。因此，典型的六脈沖整流器電路通常包含5、7、11、13等的諧波電流。圖2是五次諧波分量(250赫茲)疊加在基波(50赫茲)上的示例。圖1。典型六脈沖整流電路示意圖圖2。失真波形=基波以下是拉絲機(jī)的測(cè)量結(jié)果。

注：總等效諧波電流itdd= in (n=5，7，11，13)；圖3。拉絲機(jī)交流電源側(cè)測(cè)量電流波形的頻譜圖。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，被測(cè)整流變流設(shè)備產(chǎn)生的主諧波電流為I5=19.7I1；I7=13.3I1I5=8.3I1I5=6.4I1總諧波電流itdd > 25。在標(biāo)準(zhǔn)的6脈沖換流模型中，非特征次諧波的幅值應(yīng)為零；但由于實(shí)際電路中還有其他負(fù)載，實(shí)際6脈沖整流和換相設(shè)置受元件參數(shù)、不對(duì)稱觸發(fā)脈沖和電路阻尼的影響，非特征次諧波仍會(huì)出現(xiàn)，但一般情況下幅值較小。同時(shí)從表1可以看出，被測(cè)拉絲機(jī)的自然功率因數(shù)僅為0.5。2.諧波主要影響鋼絞線生產(chǎn)企業(yè)中的扭拉工藝，該工藝使用大量的整流器和變頻設(shè)備，在工作過程中會(huì)產(chǎn)生特征頻率為5、7、11、13倍的諧波電流分量。諧波成分正常時(shí)，會(huì)達(dá)到總電流的25%左右；電網(wǎng)中有諧振放大時(shí)，其比例會(huì)更高。這些諧波電流在電網(wǎng)中流動(dòng)產(chǎn)生諧波電壓，會(huì)產(chǎn)生諧波功率，增加損耗，降低設(shè)備利用率，同時(shí)過高的諧波分量會(huì)干擾設(shè)備和生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。嚴(yán)重時(shí)共振放大會(huì)引起電壓波動(dòng)，干擾設(shè)備和生產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行，影響產(chǎn)品質(zhì)量；甚至過電壓、過電流造成設(shè)備擊穿或燒毀，造成生產(chǎn)事故，增加生產(chǎn)成本。3.抑制諧波的主要方法電力系統(tǒng)中減少諧波干擾的主要方法包括：3.1設(shè)備改造：如增加整流器和換流器裝置的相數(shù)；3.2供電方式轉(zhuǎn)換：比如改變電網(wǎng)電壓等級(jí)；使用諧波源的互補(bǔ)組合。3.3濾波設(shè)備安裝：無源或有源諧波抑制裝置。根據(jù)負(fù)載諧波特性和工藝技術(shù)閾值，一般可以考慮3.1 ~ 3.3三種諧波抑制方法。過濾設(shè)備的安裝可分為：1)過濾吸收方式。其原理是利用濾波器對(duì)流經(jīng)某一系統(tǒng)一定時(shí)間的諧波分量形成低阻抗，吸收這些諧波分量，以降低其對(duì)系統(tǒng)的影響。該方法是一種常用的濾波方法，適用于含有諧波成分的系統(tǒng)。設(shè)備成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，實(shí)用性強(qiáng)，操作方便?？筛鶕?jù)負(fù)載變化自動(dòng)切換，運(yùn)行損耗小。必要時(shí)也可根據(jù)實(shí)際考慮作為無功補(bǔ)償。該方法能有效吸收諧波電壓和電流，其濾波效率可根據(jù)工程需要靈活設(shè)計(jì)。這種方法容易對(duì)調(diào)諧頻率的諧波分量產(chǎn)生諧振放大(特別是安裝補(bǔ)償電容時(shí))，因此在工程設(shè)計(jì)和調(diào)試中需要特殊的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。2)有源濾波法是一種新型的電力電子濾波裝置，其原理是利用有源濾波器產(chǎn)生一個(gè)逆分量來抵消系統(tǒng)中存在的諧波分量。該方法適用于有諧波成分的系統(tǒng)，濾波效率高，適用性強(qiáng)，具有無功補(bǔ)償功能，無諧振放大問題，運(yùn)行損耗低，但設(shè)備成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)技術(shù)要求高。4.工程實(shí)例根據(jù)絞線拉絲工藝設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并采用無源濾波吸收方式，具體目標(biāo)如下：l降低電力諧波：消除諧波損耗和諧波干擾，提高電能質(zhì)量；l提高功率因數(shù)：增加配電設(shè)備供電能力，提高設(shè)備利用率。l降低功率損耗：節(jié)能降耗，減少干式變壓器、電容器組、開關(guān)、電纜等設(shè)備發(fā)熱，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低生產(chǎn)成本。保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備：解決普通電容器組存在的問題 #p#分頁標(biāo)題#e#

除低次諧波分量的單調(diào)諧支路，及濾除高頻諧波分量的帶通支路。設(shè)計(jì)采用由電容器和電抗器組合成各調(diào)諧支路，其中電容器分成數(shù)組，投切方式為自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制接觸器投切電容器組。濾波器組中的電容器、電抗器再加上電阻器適當(dāng)組合成各種單調(diào)、高通諧波濾波器支路，對(duì)5次、7次、11次和13次及以上諧波分量吸收過濾。某拉絲工藝生產(chǎn)線產(chǎn)生的諧波及其工程治理效果如下：注：總等值諧波電流ITDD＝√∑In(n=5,7,11，13)；圖5.濾波/補(bǔ)償裝置投入前后電流波形比較圖根據(jù)對(duì)濾波/補(bǔ)償裝置投入前、后的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)案例工程濾波/補(bǔ)償投運(yùn)后的效果總結(jié)如下：4.1、使電壓、電流波形得到極大改善根據(jù)標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93要求。0.4kV級(jí)電網(wǎng)的電壓波形總畸變率THDu≤5。由于諧波電壓是由諧波電流流經(jīng)系統(tǒng)等值阻抗產(chǎn)生的，要限制諧波電壓，就必須控制電力用戶各諧波源注入電網(wǎng)的各次諧波電流，即應(yīng)采取有效措施抑制流經(jīng)系統(tǒng)的諧波電流。實(shí)際上，濾波/補(bǔ)償裝置投入前，某拉絲所在供電網(wǎng)絡(luò)的電壓總畸變率THDu為4.82，接近標(biāo)限值；濾波/補(bǔ)償裝置投入后對(duì)應(yīng)供電網(wǎng)絡(luò)的總畸變率THDu為2.23。說明由于濾波/補(bǔ)償裝置對(duì)諧波電流的有效吸收，使電壓波形總畸變率得到良好控制，極大改善了電壓、電流波形。電壓、電流諧波成份的大幅下降，使電氣設(shè)備機(jī)械震動(dòng)大為減小，電纜及導(dǎo)線集膚效應(yīng)、干式變壓器鐵芯磁感應(yīng)環(huán)流減少，大大降低電氣設(shè)備發(fā)熱損耗；延緩絕緣老化，增加設(shè)備壽命。此外，諧波分量降低會(huì)直接提高供用電設(shè)備利用效率，減少對(duì)自動(dòng)控制和保護(hù)裝置的干擾和影響，避免誤觸發(fā)或測(cè)量誤差等，保證生產(chǎn)秩序和提高產(chǎn)品質(zhì)量。4.2、改善負(fù)荷功率因數(shù)，提高供用電設(shè)備利用率濾波/補(bǔ)償裝置投入前，拉絲負(fù)荷功率因數(shù)為0.5，屬嚴(yán)重偏低。濾波/補(bǔ)償裝置投入后，在抑制電壓、電流諧波成份的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)供用電設(shè)備無功需求的有效補(bǔ)償，使負(fù)荷功率因數(shù)得到顯著提高，實(shí)測(cè)值為0.96。負(fù)荷功率因數(shù)的大幅提高，大大增加了供用電設(shè)備利用率。使電氣設(shè)備發(fā)熱損耗大大降低，絕緣老化延緩，設(shè)備壽命增加。4.3、有效抑制普通電容器組與供用電系統(tǒng)之間對(duì)諧波的諧振放大。由于使用了濾波/補(bǔ)償裝置，一方面大幅降低諧波分量，同時(shí)對(duì)基波實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償；另一方面使用偏調(diào)諧方式使濾波/補(bǔ)償回路對(duì)系統(tǒng)內(nèi)存在的各次諧波都呈現(xiàn)感性，從而避免出現(xiàn)對(duì)諧波分量產(chǎn)生諧振放大作用，保證了供用電設(shè)備安全和生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。5、結(jié)語上述工程案例說明，應(yīng)用濾波/補(bǔ)償裝置有效的改良了絞線、拉絲工藝中主要設(shè)備的用電情況，減少了諧波影響，提高了功率因數(shù)。該工程實(shí)施近一年的結(jié)果顯示：濾波/補(bǔ)償裝置顯著改善了企業(yè)用電的各項(xiàng)電能指標(biāo)，降低了生產(chǎn)成本、提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。作者簡(jiǎn)介：#p#分頁標(biāo)題#e#

1、徐槐1962生，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事供用電工程技術(shù)應(yīng)用及研究工作。2、陳小駿1963生，工學(xué)學(xué)士，工程師，長(zhǎng)期從事供用電工程技術(shù)應(yīng)用及研究工作。

來源：中電力諧波監(jiān)測(cè)及濾波工程技術(shù)網(wǎng)