金发科技谐波治理方案

- 1 -金发科技有限公司供电系统谐波治理方案- 2 -目录1、谐波简介 .311、谐波的基础了解 .312、 谐波来源 .313、谐波的危害 .42、现场谐波的测量与分析 .521、 国家标准对谐波的要求 .522、 现场数据测试背景 .623、 谐波测试数据 72 3 1、 1#进线柜谐波数据测试 .72 3 2、 三台氧化炉变频器动力柜谐波数据测试（数据相似，只测一台） .82 3 3、 1D5-3 驱动系统配电柜回路谐波数据测试 102 3 4、 1D7-2 高温炭化炉动力柜回路谐波数据测试 122 3 5、 2#进线柜谐波数据测试 .132 3 6、 2D6-1 空压机控制柜回路谐波数据测试 152 3 7、 2D6-2 冷却循环系统回路谐波数据测试 172 3 8、 2D6-5 消防泵切换箱回路谐波数据测试 1924、 谐波测试数据分析及设备选型 .21241 谐波测试数据分析 .21242 选型统计表 .223 、谐波治理的意义及价值 .2431 谐波治理的意义 .2432 谐波治理的价值 24I 变压器损耗 24II 线路损耗 274. ACCUSINE 有源滤波器产品介绍 284.1 ACCUSINE 技术参数 304.2ACCUSINE 产品特性 .314.4ACCUSINE 内部控制原理 .33- 3 -1、谐波简介11 、谐波的基础了解1.谐波：是对周期性交流量进行付立叶级数分解，得到的基波频率大于 1 的整数倍的频率分量，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。2.谐波源：向公网中注入谐波电流或在公网中产生谐波电压的电气设备(分为电流、电压谐波源)3.产生电流谐波源的主要设备：非线性用电设备、 变压器、发电机、直流调速装置、中频/ 高频感应电炉、电流型变频器。4.产生电压谐波源的设备：交流变频器、UPS/EPS 设备谐波电压的产生电压与电流畸变的关系对于每个电流谐波 In, 对应该频率的电源阻抗 Zsn两端存在谐波电压 Un Un=Zsn.In 各次谐波畸变 Hn= Un /u1(U1: 基波值)THD (%) = 在各次谐波频率下的电源阻抗为电压出现畸变的基本,如果电源阻抗低, 电压畸变就低 综上所述：产生电流谐波畸变依赖于负载、产生电压谐波畸变依赖于电源，低的电源阻抗利于谐波电流流向电源, 但同时电压畸变往往也较低。高电源阻抗阻止谐波电流流向电源, 但电压总畸变往往也较高电源阻抗与总谐波畸变之间的变化是非线性的。12 、 谐波来源电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交直流换流站的可控硅控制元件，可控硅控制的电容器、电抗器组等。但是，电力系统谐波更主要来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。- 4 -13 、谐波的危害谐波的危害主要表现为：1、 加大线路损耗，使电缆过热，绝缘老化，降低电源效率。2、 使电容器过载发热，加速电容器老化甚至击穿。3、 保护装置的勿动或拒动，导致区域性停电事故。4、 造成电网谐振。5、 影响电动机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电动机寿命。6、 损坏电网中敏感设备。7、 使电力系统各种测量仪表产生误差。8、 对通讯、电子类设备产生干扰；引起系统故障或失灵。9、 零序谐波导致中性线电流过大，造成中性线发热甚至火灾。- 5 -2、现场谐波的测量与分析21 、 国家标准对谐波的要求根据中华人民共和国国家标准电能质量、公用电网谐波GB/T14549-93 中规定公用电网谐波电压（相电压） 、电流限值如下：1）谐波电压限值公用电网谐波电压（相电压）不应超过下表中规定的允许值。各次谐波电压含有率：%电网标称电压 KV 电压总谐波畸变率%奇数 偶数0.38 5.0 4.0 2.010 4.0 3.2 1.62）谐波电流限值a)公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过下表中规定的允许值。b)同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。- 6 -22 、 现场数据测试背景由于现场安装的 PM5350 仪表具有测量谐波的功能，所以采用先从仪表上判断出谐波含量较大的回路，再使用专业的谐波测量仪器 FLUKE 表进行详细测量。现场选取的谐波测量点如下图所示：- 7 -23 、 谐波测试数据 231、 1#进线柜谐波数据测试1）1#进线三相电流波形由图可见，1#总线上含有谐波电流，并导致总线上的电流发生畸变。2）1#进线三相电流谐波柱状图 由图可见，1#总线上包含 3 次、5 次和 7 次谐波。3）1#进线三相电流谐波含量详细数据- 8 -4)1#进线电压电流频率实测值经分析谐波电流的含量如下：A 相 B 相 C 相三相电流实测值 526A 578A 553AA 相谐波电流B 相谐波电流 C 相谐波电流总谐波含量 9.4% 10.1% 9.2% 49.44A 58.4A 50.9A3 次谐波含量 4.6% 4.7% 2.0% 24.2A 27A 11.1A5 次谐波含量 2.8% 3.1% 3.0% 14.7A 18.0A 16.6A现在对 1#进线下各回路的谐波含量进行测量和分析。232、 三台氧化炉变频器动力柜谐波数据测试（数据相似，只测一台）1）氧化炉变频器动力柜谐波含量柱状图- 9 -由图可知，氧化炉回路中含有大量的谐波，其中 5 次、7 次的谐波含量较大。2）氧化炉变频器动力柜谐波含量详细数据3）氧化炉变频器动力柜电压电流频率实测值- 10 -经分析，氧化炉变频器动力柜谐波电流的含量如下：A 相 B 相 C 相三相电流实测值 25A 34A 30AA 相谐波电流 B 相谐波电流 C 相谐波电流总谐波含量 69.5% 70% 77.2% 17.4A 23.8A 23.2A3 次谐波含量 12.4% 9.7% 20.3% 3.1A 3.3A 6.1A5 次谐波含量 50.8% 52.7% 58.4% 12.7A 17.9A 17.5A7 次谐波含量 39.4% 40.3% 39.3% 9.9A 13.8A 11.8A233、 1D5-3 驱动系统配电柜回路谐波数据测试1）1D5-3 回路谐波含量柱状图由图可知，1D5-3 驱动系统配电柜中含有大量的谐波，其中除 7 次、13 次谐波外，各- 11 -次谐波含量都非常大。2）1D5-3 驱动系统配电柜谐波含量详细数据3) 1D5-3 驱动系统配电柜的电压电流频率实测值经分析，1D5-3 驱动系统配电柜谐波电流含量如下：A 相 B 相 C 相三相电流实测值 9A 8A 10AA 相谐波电流B 相谐波电流C 相谐波电流总谐波含量 141.8% 151.1% 124.6% 12.8A 12.1A 12.5A3 次谐波含量 22.7% 15% 19.7% 2.0A 1.2A 2.0A5 次谐波含量 69.4% 76.5% 60.8% 6.2A 6.1A 6.1A7 次谐波含量 53.6% 70.1% 50.1% 4.8A 5.6A 5.0A- 12 -9 次谐波含量 19.3% 16.7% 11.6% 1.7A 1.3A 1.16A11 次谐波含量 42.9% 38.7% 35.8% 3.9A 3.1A 3.58A13 次谐波含量 28.4% 38.1% 27.6% 2.6A 3.0A 2.8A234、 1D7-2 高温炭化炉动力柜回路谐波数据测试1）1D7-2 高温炭化炉动力柜回路谐波含量柱状图由图可知，1D7-2 高温炭化炉动力柜回路中含有大量的谐波，其中 3 次、5 次、谐波含量较大。2）1D7-2 高温炭化炉动力柜回路谐波含量详细数据3）1D7-2 高温炭化炉动力柜电压电流频率的实测值- 13 -经分析，1D7-2 高温炭化炉动力柜电流谐波含量如下所示：A 相 B 相 C 相三相电流实测值 243A 252A 436AA 相谐波电流B 相谐波电流C 相谐波电流总谐波含量 31.8 33% 10.4% 77.3A 83.2A 45.3A3 次谐波含量 28.2% 29.5% 3.8% 58.5A 74.3A 16.6A5 次谐波含量 9.6% 9.6% 2.2% 23.3A 24.2A 9.6A7 次谐波含量 6.4% 7.2% 1.6% 15.6A 18.1A 2.6A235、 2#进线柜谐波数据测试1）2#进线三相电流波形由图可见，2#总线上含有谐波电流，并导致总线上的电流发生畸变。- 14 -2）2#进线三相电流谐波柱状图 由图可见，2#总线上包含 5 次和 7 次谐波。3）2#进线三相电流谐波含量详细数据3）2#进线电压电流频率实测值- 15 -经分析，2#进线电流谐波含量如下表所示：A 相 B 相 C 相三相电流实测值 493A 549A 507AA 相谐波电流B 相谐波电流C 相谐波电流总谐波含量 16.2% 16.8% 16.7% 79.9A 92.2A 84.7A3 次谐波含量 1.9% 1.8% 1.8% 9.4A 9.9A 9.1A5 次谐波含量 12.2% 12.6% 12.2% 60.1A 69.2A 61.9A7 次谐波含量 9.2% 9.8% 10% 45.4A 53.8A 50.7A现在对 2#进线下各回路的谐波含量进行测量和分析。236、 2D6-1 空压机控制柜回路谐波数据测试1）2D6-1 空压机控制柜回路谐波含量柱状图- 16 -由图可知，2D6-1 空压机控制柜回路中含有大量的谐波，且各次谐波含量都非常大。2）2D6-1 空压机控制柜回路谐波含量详细数据3）2D6-1 空压机控制柜的电压电流频率实测值A 相 B 相 C 相三相电流实测值 7A 8A 8AA 相谐波电流B 相谐波电流C 相谐波电流总谐波含量 1262%145.7% 101.9% 8.8A 11.7A 8.2A3 次谐波含量 60.7% 65.7% 47.7% 4.2A 5.3A 3.8A5 次谐波含量 58.9% 67.4% 43.1% 4.1A 5.4A 3.4A7 次谐波含量 52.3% 58.4% 36.7% 3.7A 4.7A 2.9A- 17 -9 次谐波含量 48.2% 54% 37.5% 3.4A 4.3A 3A11 次谐波含量 39.7% 47% 33.1% 2.8A 3.7A 2.6A13 次谐波含量 28.4% 36.6% 24.9% 2.0A 2.9A 2.0A15 次谐波含量 26.0% 34.1% 24.6% 1.8A 2.7A 2.0A237、 2D6-2 冷却循环系统回路谐波数据测试1）2D6-2 冷却循环系统回路谐波含量柱状图由图可知，2D6-2 冷却循环系统回路中含有的谐波，其中 5 次、7 次谐波含量较大。2）2D6-2 冷却循环系统回路谐波含量详细数据3) 2D6-2 冷却循环系统回路的电压电流频率实测值- 18 -经分析，2D6-2 冷却循环系统回路的电流谐波含量如下所示：A 相 B 相 C 相常用负荷电流 87A 89A 89AA 相谐波电流B 相谐波电流C 相谐波电流总谐波含量 30.3% 30.9% 31.4% 26.4A 27.5A 27.9A5 次谐波含量 24.5% 24.8% 26.0% 21.3A 22.1A 23.1A7 次谐波含量 16.6% 16.9% 15.7% 14.4A 15.0A 14.0A238、 2D6-5 消防泵切换箱回路谐波数据测试1）2D6-5 消防泵切换箱回路谐波含量柱状图由图可知，2D6-5 消防泵切换箱回路中含有大量的谐波，其中 5 次、7 次、11 次和 13次谐波含量非常大。2）2D6-5 消防泵切换箱回路谐波含量详细数据- 19 -3）2D6-5 消防泵切换箱回路的电压电流频率实测值经分析，2D6-5 消防泵切换箱回路电流谐波的含量如下所示：A 相 B 相 C 相三相电流实测值 5A 6A 5AA 相谐波电流B 相谐波电流C 相谐波电流总谐波含量 129.4% 127.6% 134.1% 6.45A 7.7A 6.7A3 次谐波含量 19.6% 13.5% 28.5% 1A 0.81A 1.43A5 次谐波含量 84.6% 83.2% 82.3% 4.2A 5.0A 4.1A7 次谐波含量 68.4% 72.2% 78.4% 3.4A 4.3A 4.09 次谐波含量 12.5% 5.8% 17.0% 1.0A 0.3A 0.9A11 次谐波含量 50.3% 46.3% 42.8% 2.5A 2.8A 2.1A13 次谐波含量 29.0% 33.0% 36.8% 1.5A 2.0A 1.8A- 20 -总结：从现场测试得到的数据可以看出，所测各回路的谐波含量很大，谐波危害非常大。由现场的负荷电流不是很大，所以并未表现出大面积的设备损坏，但谐波含量都大大超过国家标准 GB/T14549 电能质量 公用电网谐波 所规定的谐波限值，供电系统的电能质量污染程度非常严重，存在极大的安全隐患，必须引起有关部门高度重视，应及时治理。24 、 谐波测试数据分析 及设备选型24 1 谐波测试数据分析序号 测试点 工况 常用负荷电流 A 实测电流 A 电流谐波率% 谐波电流 A1 1#进线 常用负荷 4100 578 10.1 58.42 1D5-3 驱动系统 常用负荷 78 10 151 12.831D7-2 高温碳化炉动力柜 常用负荷 63543633 83.24氧化炉变频器动力柜 常用负荷 267 34 77.2 23.85 2#进线 常用负荷 1954 549 16.8 92.26 2D6-1 纱架 常用负荷 58 8 145.7 11.77 2D6-2 冷却系统 常用负荷 256 170 31.4 27.98 2D6-5 消防泵系统 常用负荷 96 6 134.1 7.7从表中的数据可以看出，所测各回路的谐波含量都非常大，最有效的方法是需要进行局部补偿加总补偿方式，专门治理，以实现治理效果，保证设备正常运行。但由于补偿的回路较多，治理的成本较高，考虑到经济性，与用户协商后，选择只在总线处进行总体补偿，从一定程度上治理谐波电流。又因总线的负荷电流较大，所以所补偿的电流应留有较大的裕度，总结谐波治理方案如下：- 21 -242 选型统计表(1)根据补偿电流的大小，选择的有源滤波器的型号如下表所示：补偿支路 谐波电流 补偿电流 有源滤波器选型1#进线 58.4A 200A AccuSine/4LS-210A （1 台）2#进线 92.2A 200A AccuSine/4LS-210A（1 台）（2）有源滤波器电流采集 CT 选型：滤波器型号 CT 型号AccuSine/4LS-210A SGK662A-250/1（3）塑壳断路器选型：滤波器型号 断路器型号AccuSine/4LS-210A NSX250-3P（4）电力电缆选型滤波器型号 功率电缆选择 mm2(必须为多股软铜线) 接地线 mm2（必须为铜线）AccuSine/4LS-210A YJV-0.66/1kV-1150+1375 YJV-0.66/1kV-110注：电缆长度需根据现场实际情况而定。- 22 -3 、谐波治理的意义及价值31 谐波治理的意义1、采用合理的和高性价比的滤波方案，消除了主要谐波负载产生的谐波电流，并降低了由谐波电流引起的谐波电压（部分由外部供电线路传入） 。2、避免了由于谐波电流和谐波电压引起的系统内短期和长期电气危害和故障：a)短期：与电容器的谐波放大和谐振，损坏电容器，并引起系统谐波增大和振荡；变压器过载；电缆过载和发热；电动机发热、效率低；对其它配电回路的影响；对控制设备的干扰；电压不平衡导致的故障等等。b)设备和电缆过载导致的绝缘损坏，引起短路、漏电和火灾隐患；谐波电流和电压导致电气设备的提前老化、降容、损坏而不得不提前更换。3、保障了配电系统的供电可靠性和连续性，降低了停电带来的损失和风险，有助于提高公司的生产效率和能力。32 谐波治理的价值1、减少损耗，节约电能：谐波电流流经线路、断路器、发电机，特别是变压器，会产生大量的热损耗和铁损耗，导致电能的流失。所以使用使用有源滤波器滤除谐波电流可以减少损耗，节约电能。I 变压器损耗变压器损耗分为：铜耗、铁耗、介质损耗、杂散损耗等。其铁耗又分为磁滞损耗和涡流损耗。不管分类如何复杂，按性质分只有两类：基本损耗和谐波损耗。谐波环境下，考虑集肤效应时，导体的各次谐波阻抗为(1)1nr式中，r n 为导体中 n 次谐波电流所对应的电阻，；n 为谐波次数。（1） 变压器的铜耗- 23 -考虑集肤效应时，根据（1）可得变压器铜耗为 21221212 1nrInnnn nrIIrIIp（2） 21221 nnrI HRIrI式中，P 为变压器铜耗，W； 各次谐波电流，A ；n=1 时， 表示基波电流； 为变压1I1r器绕组基波电阻； 为各次谐波含量，是指各次谐波电流与基波电流的比值，即表示nHRI为 后面公式采用都才 是为了表达方便。 表示谐波电流， 表示nnII1 nHRInI1I基波电流。由式（2）可知，变压器的铜损耗由两部分构成。第一部分为基本的铜损耗，是由基波电流产生的；第二部分为谐波损耗，它是基波损耗的 K 倍(3)22nnHRIK在变压器中，当绕组导线施加畸变电流时，发生第一次集肤效应；绕组磁化变压器铁心后，产生了畸变磁场，又施加在绕组上，在绕组导线上发生第二次集肤效应。当变压器绕组为-Y 接线方式时，3n 次零序谐波电流叠加。变压器的谐波损耗通常归类为杂散损耗，及线圈涡流损耗，它是引起变压器铁心额外发热的重要因素。在各类电器设备中，谐波电流的附件损耗占基本铜耗的比例，以变压器为较大。代入数据计算得，谐波损耗为：P=3*0.094*21022*(44.082*3+80.612*5+30.352*7+4.02*9+14.472*11+16.182*13+2.012*15)/23022=11.92kW即，每小时变压的铜损的电量为 11.92kWh。（2） 变压器铁耗铁耗是指发生在铁心中的损耗，铁心被外加励磁磁化，在磁化过程中产生了能量损耗。铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗，它导致变压器和电机效率降低，铁心温度升高，从而限制了出力的提高。磁滞损耗是由铁心磁化极性的反转造成的，有磁性材料的尺寸和品质、磁通密度的最大值和交流电流的频率决定的。对于正常范围 1.5Wb/m2以下的磁通密度，基波频率下的磁滞损耗为- 24 -（4）vmhBfP11式中， 为常数，其值由铁心材料和尺寸决定，通常为 2； 为交流电流的基波频率；1f为磁通密度 n 次谐波最大值； 为指数，其值取决于铁心材料，通常为 1.6。当考虑1m 谐波时，由式（4）可得（5）vIvBPh nmnhnnpu 111 由（5）推导得（6） 211 1nvnhvnIhnh HRIPn式中， 为 n 次谐波的磁滞损耗标值； 为第 n 次谐波的磁滞损耗；n 为谐波次数，puPnhn=1 表示基波； 为磁通密度 n 次谐波最大值； 为磁化电流的第 n 次谐波峰值； 为nmBI hP总磁滞损耗。涡流损耗是由涡流电流流动引起的功率损耗，涡流感生于变压器铁心中，由交流励磁引起。基本涡流损耗为（7）211meBkfP式中，k 为常数，取决于铁心材料、尺寸和叠片厚度，通常为 4。考虑谐波及集肤效应时，由式（7）可得（8）222111 IBPe nmnennpu （9） 22211 11nnenIene HRPn式中， 为 n 次谐波的磁滞损耗标值； 为第 n 次谐波的磁滞损耗；n 为谐波次数，puePnen=1 表示基波； 为磁通密度 n 次谐波最大值； 为磁化电流的第 n 次谐波峰值； 为nmBI hP总涡流损耗。则总铁耗为（10）ehP由以上分析代入数据可得，谐波的磁滞损耗和涡流损耗为：- 25 -Ph 谐 =3*2*50*1.51.6*（3*(44.08/2102) 1.6+5*(79.88/2102)1.6+7*(30.35/2102)1.6+9*(4.05/2102)1.6+11*(14.17/2102)1.6+13*(16.18/2120)1.6+15*(2.01/2102)1.6）=29.02kWP 谐 =3*4*502*1.52*（3 2*（44.08/2102） 2+52*(79.88/2102） 2+72*(30.35/2102)2+92*(4.05/2102)2+112*(14.17/2102)2+132*(16.18/2120)2+152*(2.01/2102)2）=4.48kW所以，变压器谐波的铁耗为=29.02+4.48=33.50kWehP（3） 变压器总损耗经上述计算得，变压器的损耗包括铜损耗和铁损耗的总和为：P 损 =P 铜 +P 铁 =11.92+33.50=45.42 kW即治理谐波后，每小时可节约的电能为 45.42kWh。II 线路损耗根据计算公式：Irms2 +Il2=I 含 2（Irms 为谐波电流有效值，I l 为治理后的负荷电流有效值，I 含 为治理前的负荷电流有效值）已知谐波电流和治理前的谐波电流有效值，可算出治理后的负荷电流有效值。从而得到投入有缘滤波器后减少的损耗电流为： I= I 含 -Il再根据公式： P= I A*Va*cos$a+ I B *Vb*cos$b+ IC *Vc*cos$c Wapf(Va 为 A 相电压有效值， cos$a 为功率因数，一般为 0.97， Wapf 为滤波器所有负荷损耗 100A 为 3.0kW，由于电压畸变非常小，忽略不计其对功耗的影响)经计算,C202 车间回路的ILc202a=（692 2-1702）=670A所以- 26 - Ia=692-670=22A同理 Ib=22A， Ic=21A.所以 PC202=22*220*0.97+22*220*0.97+21*220*0.97=4.6948 kW/h同理可计算得 C207 车间回路 PC207=19.8463 kW/h P 总= PC207+ PC202=19.8463+4.6948=25.5 kW/h从上述计算可知：投入有缘滤波器后，每小能节约电能损耗为 25.5 Kw。2、现场采用了无功补偿系统，其成本不菲，谐波超标，很容易引起系统谐振、温度过高，从而造成电容器损坏，谐波治理可以延长电容器的使用寿命，降低对电容器的成本投入。根据往年公司对损坏电容器的粗略估算，更换电容器的材料、人工成本至少40000 元/年，还不包括因更换电容器造成功率因数降低，无功功率增加引起的无效能源损耗。3、避免由于谐波导致的设备老化、降容和损坏而产生的提前更换。在良好的供电环境下，一般 UPS 的设计使用寿命为 812 年，但是由于谐波电流对电气元件的作用，会极大缩短 UPS 的使用寿命，从而造成设备投入成本增加。谐波治理将可以延长变频器的使用寿命，直接为公司节省电气投资成本。4、对变压器而言，谐波最主要的影响是变压器温度上升，进而导致变压器的负载容量下降。经研究表明，变压器温升每升高 8 度，寿命将减少 50%。对于昂贵的变压器而言，这是很大的损失。5、避免由于谐波导致功率因数下降，而受到供电局的罚款；或直接的谐波超标罚款。再者，Accusine 有源滤波器还可以动态无功功率补偿，提高功率因数。6、谐波治理项目对公司最大的收益：提高供电可靠性和连续性，避免