橡胶厂GK400密炼机电能质量量测报告与治理方案

1.1谐波概述

谐波术语的基本概念

谐波：（harmonic）对周期性的交流信号量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量。我国供电系统频率为50Hz，所以5次谐波的频率为250 Hz。7次谐波的频率为350 Hz。11次谐波的频率为550 Hz，13次谐波的频率为650 Hz。

公共连接点：（PCC）用户接入电网的连接处。

总谐波畸变率：（THD）周期性的交流量的谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。电压总谐波畸变率以THDU表示，电流总谐波畸变率以THDI表示。

谐波源（harmonic source）：向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。

谐波对电网及用电设备的影响

增加输电、供电和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益，并给企业增加额外的电能损耗。

1.1.1 电力谐波对电力电容器的影响

当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。

1.1.2 电力谐波对变压器的影响 

谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3 次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3 次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流的增加会使变压器局部严重过热，轻则缩短变压器的使用寿命，重则导致变压器烧毁。 谐波对变压器的最主要的影响是变压器运行温度上升，研究表明，变压器温升每升高8度，寿命将减少50%。

1.1.3 对电力电缆的危害

由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的答应通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，进步功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

1.1.4 对供配电线路的危害

（1）影响线路的稳定运行：产生继电保护误动作或拒动。

（2）影响电网的质量：如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，相线上的3的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

1.1.5 对用电设备的危害

（1）对于配电用断路器和漏电电路器来说，断路器铁耗增大而发热，额定电流降低与脱扣电流降低，且谐波次数越高影响越大；可能因谐波产生误动作。

（2）对弱电系统设备的干扰对于计算机网络、通讯、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流进接地极，从而干扰弱电系统。

（3）影响电力计量的正确性：目前采用的电力计量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表（多采用感应型），当谐波较大时将产生计量混乱，丈量不正确。

1.1.6 电力谐波对电动机的危害

电动机的设计工作电压为工频下，长期工作在谐波电压畸变的环境下，将大大降低电机的使用寿命。谐波对异步电机的影响，谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整，由谐波引起电动机的发热效应是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。

1.1.7 对周边设备的影响

（1）影响继电保护和自动装置的工作可靠性

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置的影响十分严重，这是由于这些按负序（基波）量整定的保护装置，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（如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源）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置负序电压元件误动，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、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

（2）对通讯系统工作产生干扰

电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。

（3）对弱电设备的影响

电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。

（4）影响电力测量的准确性

由于电力计量装置都是按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。

（5）干扰通信系统的工作

电力线路上流过的3、5、7、11 等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度。

谐波已成为电网的一大公害、各类设备的隐形杀手，同时谐波给企业带来的经济损失已经越来越受到重视。

1.1.8 谐波对电能的损耗

供电电源电流按傅立叶级数分解可分为基波有功电流、基波无功电流、谐波有功电流和谐波无功电流，间谐波和次谐波电流含量相对较小。实际生产过程中我们需要消耗的是基波的能量。大量的谐波会产生极大的额外的谐波功率，直接浪费企业的电能。

谐波在电缆上的集肤效应，导致电缆温升巨大，电能未能直接成为有效的生产动能，而是有电能直接转化成为了电缆的热效应能量，产生巨大电能浪费。长期谐波环境下，将造成导线绝缘破坏对地放电等隐患。

变压器由于谐波的影响所造成的铁损、铜损等能量损耗，并且由于谐波引起的变压器的噪音及发热，使电能转变为了热能及声音的能量浪费。

谐波的污染降低了用电利用率，将直接导致电费的增加。抑制谐波将有效提高用电利用率，减少企业的直接电费损失。

谐波治理合格后的意义以及所带来的经济效益

（1）节能增产提效：安装谐波治理装置后，有效的降低了谐波电流，增加了变压器的有效容量，可增加相应的带载能力（或者：电费不变，产量提高10-15%左右，节能增产提效）减少扩容所需的投资。可有效的降低变压器的损耗，提高变压器的安全运行系数，起到节能降耗的目的。减小流过配电线路的电流有效值，提高功率因数，消除流过配电线路的谐波，从而大大减小线路损耗，降低配电线缆的温升，提高线路带载能力。同等产值的情况下，可以节省不低于5%的电费开支。

（2）谐波的降低减少了变压器铜损、杂散损耗和铁损。大大降低了变压器运行温度，提高了变压器的运行寿命。

（3）对于电力电缆，由于高频率谐波的降低，减轻了电缆趋肤效应问题，使导体的交流电阻减小，提高了电缆的通流能力。另外，使电网发生谐振的几率大大降低（电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，电容器装置及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振）。

（4）对供配电线路：增强线路的稳定运行，由于谐波的降低，能够大大增强电网系统的稳定与安全运行。

（5）对用电设备

① 对于配电用断路器来说，谐波的治理，可以避免工厂配电短路因谐波产生的误动作，降低开关柜内断路器的发热量，增长了开关柜的运行稳定性以及寿命。

② 谐波的治理，可以避免对变频器、数控设备以及自动化设备造成干扰，保证设备的正常运行，降低损坏几率。

③ 对于高低压电力电子器件的变频器设备，谐波的降低，能够避免因为变频器内电感电容的谐振几率，保证电子开关器件开断精度，提高了变频器设备的运行可靠性，降低损坏几率。

④ 谐波降低后，可以提高电力计量的正确性。

⑤提高了继电保护、微机保护和自动装置的工作可靠性。

⑥谐波的降低，可以避免现在的高压空压机振动的问题，提高了空压机以及工厂电动机设备的工作效率，增大了工作寿命。

（6）谐波治理将有效提高用电利用率，减少企业的直接电费损失。

有效的滤波治理后，谐波电压、谐波电流将降到国家标准合格范围以内，以上问题可以得到大大改善，在一定程度上可以降低电费损耗、增加设备生产效率，增长设备运行使用寿命，将给工厂带来较大的经济效益。改善了电网电压质量以后，能够解决污水厂,空压机站因为谐波问题造成的振动问题，提高了设备运行效率及寿命,避免了因为谐波问题造成的空压机、变频器、开关柜以及其他控制保护测量元器件的损坏问题，每年能给工厂节省可观的设备维护费用；谐波降低后，会使设备电动机的效率得到显著提高，提高了设备生产效率，对于增大生产产值所带来的经济效益会更加显著。

1.2量测目的

针对密炼机变压器系统电能质量不理想，分别在相应变压器下对仪器量测所获得数据进行分析，寻求最佳解决方案。

1.3量测仪器

美国Fluke公司的F1760电能质量测试仪。此设备用于监测电能质量，可以在线连续长时间量测电压、电流的谐波，三相不平衡，闪变，暂态过程，波形变动，频率变化等，可同时记录八个信号输入。

设备技术参数：

-电压精确度: 0.15%

-电流精确度: 0.5%

-采样频率: 1kHz~64kHz

-脉冲采样频率: 100kHz~10MHz

-符合EN61000-4-7标准-A等级

-脉冲采样频率: 100kHz~10MHz

-符合EN61000-4-7标

2.量测说明

2.1. 电力系统及量测位置

图1：电力系统及量测位置图

2.1. 负载设备说明

密炼机变压器系统的负载主要为密炼机设备，此类设备在运行过程中无功需求量比较大，并会产生大量的谐波。该密炼机变压器系统低压侧没有使用电容器做无功补偿，密炼机为直流型密炼机，分主、从电机两个回路，主、从电机功率均为1250kW。

2.2. 量测期间负载运行状况

量测期间该变压器系统负载运行周期正常。

2.3. 量测内容

在Test Point 1、2（变压器的低压侧）位置使用电能质量测试仪进行不间断量测，获得系统的电流电压波形、功率、谐波等详细数据。

3.量测结果（测量点1—主动机）

2. 

3. 

4. 

3.1量测期间趋势图量测结果（测量点1）

3.1.1系统电压、电流瞬时波形图

图2：系统电压、电流瞬时波形图

3.2量测期间趋势图量测结果（测量点1）

3.2.1量测期间基波电压(相电压)趋势

图3：量测期间基波电压趋势图

3.2.2量测期间基波电流趋势

图4：量测期间基波电流趋势图

3.2.3量测期间总谐波电压畸变率趋势

图5：量测期间总谐波电压畸变率趋势图

3.2.4量测期间总谐波电流趋势

图6：量测期间总谐波电流趋势图

3.2.5量测期间11次谐波电流趋势

图7：量测期间11次谐波电流趋势图

3.2.6量测期间无功功率趋势

图8：量测期间无功功率趋势图

3.2.9测量期间功率因数趋势

 图9：量测期间功率因数趋势图

3.3各阶次谐波频谱图量测结果（测量点1）

3.3.1系统谐波电压畸变率频谱

图10：系统谐波电压畸变率频谱图

3.3.2系统谐波电流频谱

图11：系统谐波电流频谱图

4量测结果（测量点2—从动机）

4.1.1系统电压、电流瞬时波形图

图12：系统电压、电流瞬时波形图 

4.2量测期间趋势图量测结果（测量点2）

4.2.1量测期间基波电压(相电压)趋势

图13：量测期间基波电压趋势图

4.2.2量测期间基波电流趋势

图14：量测期间基波电流趋势图

4.2.3量测期间总谐波电压畸变率趋势

图15：量测期间总谐波电压畸变率趋势图

4.2.4量测期间总谐波电流趋势

图16：量测期间总谐波电流趋势图

4.2.5量测期间11次谐波电流趋势

图17：量测期间11次谐波电流趋势图

4.2.6量测期间无功功率趋势

 图18：量测期间无功功率趋势图（L3接线有点问题，可能接反）

4.2.7测量期间功率因数趋势

 图19：量测期间功率因数趋势图

4.3各阶次谐波频谱图量测结果（测量点2）

4.3.1系统谐波电压畸变率频谱

图20：系统谐波电压畸变率频谱图

4.3.2系统谐波电流频谱

图21：系统谐波电流频谱图

5.分析与总结

5.1测试数据总结

5.2治理方案

根据以上电能质量数据分析，系统的电能质量问题主要为谐波和无功，变压器的谐波含量基本上全部来自于密炼机和晶闸管整流设备，采用集中治理方案比较合适，即在低压总进线处加装有源滤波装置及无功补偿装置，建议采用APF和SVG设备进行治理，考虑到系统中存在晶闸管整流设备，导致瞬时电压突变较大，需要额外配置RC滤波组件使用以保障APF/SVG设备正常运行。

注：按照计算出的谐波和无功含量，按照1.25倍选择设备，防止设备长期满载运行影响性能。

论文作者：张文标、卢金洪、何维榕、王晓稷、林景来