有源滤波器考察现场-设计-安装-调试过程

1、沈阳*航空机械制造有限公司有源波器效果总结辽宁东盛安信电能控制技术有限公司2013年8月一、背景 2013年1月24日我东盛公司三名技术人员携带福禄克（谐波测试仪）对贵厂的用电环境进行了实地测察。现场5台变压器，单台容量均为800KVA，其中有3台变压器侧现有补偿设备出现烧毁现象，通过测试现场次谐波严重超标，原补偿设备没加电抗器，导致谐波电流放大，投切涌流将补偿设备烧毁。运行的负荷多为感性负荷，这样不仅造成功率因数过低，网络损耗，还会引起电压波动降低生产效率。更有三相负荷无功电流不同，造成三相的视在电流不平衡，使变压器的铜损，铁损成倍增加。情况列表如下：序号变压器容量负载类型功率因数现存在问题

2、谐波次数备注A800KVA点焊机0.3-0.9之间频繁波动电流严重三项不平衡.11次功率因数不达标二、标准和规范应遵循的主要现行标准，但不仅限于下列标准的要求，所有设备都符合相应的标准、规范或法规的最新版本或其修正本的要求，除非另有特别外，合同期内有效的任何修正和补充都应包括在内。GB/T2900.11992 电工术语 基本术语GB/T2900.321994 电工术语 电子半导体器件GB/T2900.332003 电工术语 电力电子技术（IEC 60050GB/T3859.11993 半导体交流器基本要求的规定GB/T37972005 电气控制设备GB 102361988 半导体电力交流器与电

3、网互相干扰及其防护方法导则GB/T17626.21988 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验GB/T17626.121998 电磁兼容试验和测量技术振荡波抗扰度试验GB 42081993 外壳防护等级（IP代码）（IDT IEC 60529:1989）GB/T5169.101997 电工电子产品着火危险试验 试验方法 灼热丝试验方法总则GB/T5169.111997 电工电子产品着火危险试验试验方法灼热丝试验和导则GB/T7251.12005 低压成套开关设备和控制设备第1部分：型式试验和部分型式试验设备（IEC 60439）GB/T72612000 继电器及装置基本试验方法GB 996

4、9.11998 工业产品使用说明书总则GB/T145491993 电能质量公用电网谐波GB/T155761995 低压无功功率静态补偿装置总技术条件GB501711992 电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范三、谐波的危害：3.1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。3.2 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

5、；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，在电场和温度的作用下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。再者，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。3.3 电力谐波对变

6、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。 对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。与纯基波运行的正弦波电流

7、和电压相比较，谐波对变压器的最主要的影响是变压器运行温度上升，同时由谐波所引起的额外损耗将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降；研究表明，变压器温升每升高8度，寿命将减少50%。变压器：下面统计在变压器额定容量下，不同谐波电流总畸变率对变压器温升的影响（以现移动通信局房F等级变压器为例，其允许温升为100K）。环境平均温度为30，只考虑基波电流情况下，四种容量的变压器在不同负载率下的温升变化如下表： 变压器在不同负载率下的温升变化（基波） 表1容量（kVA）负载率为100%（K）负载率为90%（K）负载率为80%（K）负载率为70%（K）负载率为60%（K）负载率为5

8、0%（K）160010084.570.056.544.233.0125010084.570.056.544.233.063010084.570.056.544.233.050010084.570.056.544.233.0平均环境温度为30，变压器在额定负载（100%负载），在谐波电流总畸变率为5%，10%，15%，20%时温升的变化如下表： 变压器在不同谐波含量下的温升变化 表2 容量（kVA）在不同谐波电流总畸变率下的温升畸变率为5%（K）畸变率为10%（K）畸变率为15%（K）畸变率为20%（K）1600108.21118.67131.26139.981250108.21118.6713

9、1.26139.98630108.21118.67131.26139.98500108.21118.67131.26139.98由表1我们可以得出，在不同负载下，F等级变压器只考虑基波的情况下，离100K温升所剩余的温升量如下表： 变压器在不同负载率下的温升剩余量 表3 容量（kVA）负载率为100%（K）负载率为90%（K）负载率为80%（K）负载率为70%（K）负载率为60%（K）负载率为50%（K）1600015.530.043.555.877.01250015.530.043.555.877.0630015.530.043.555.877.0500015.530.043.555.877

10、.0由表2我们可以得出，在变压器额定容量下不同谐波含量时，F等级变压器所产生的温升提高量如下表： 变压器在不同谐波含量下的温升提高量 表4 容量（kVA）在不同谐波电流总畸变率下的温升畸变率为5%（K）畸变率为10%（K）畸变率为15%（K）畸变率为20%（K）16008.2118.6731.2639.9812508.2118.6731.2639.986308.2118.6731.2639.985008.2118.6731.2639.98通过对表3和4数据分析，环境平均温度为30，结合F型变压器温升100K的性能，不同谐波电流总畸变率（谐波电流总畸变率指在变压器额定负载下，其谐波的含量比）对变

11、压器实际使用容量的影响如下表： 谐波对变压器使用容量的影响 表5 在不同谐波电流总畸变率下的容量变化变压器额定容量下降百分比畸变率为5%畸变率为10%畸变率为15%畸变率为20%5%11%19%23%因此，在实际使用中，为保证变压器温升100K，应根据表5谐波含量对变压器使用容量的影响，结合变压器实际使用负荷大小或拟新增负荷容量情况，判断变压器容量是否满足要求，（谐波电流畸变率按测试所得谐波电流有效值与额定电流之比计算）从而制定相应方案。3.4 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

12、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。3.5 对供配电线路的危害： 影响线路的稳定运行：供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器对10%以下含量高达40%时又导致继电保护误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器固然具有很多优点，但由于采用了整流取样电路，轻易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 影响电网的质量:电力系统中的谐波

13、能使电网的电压与电流波形发生畸变。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，可达40%；三相配电线路中，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。3.6 对用电设备的危害： 对低压开关设备的危害：对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加而引起发热，使

14、得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。 对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。 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

15、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。 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。3.7 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。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右

16、。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。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。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但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。3.8 对周边设备的影响： 影响继电保护和自动装置的工作可靠

17、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。 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

18、，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。 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。 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

19、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。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，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。目前采用的电力测量仪表中有电磁型和感

20、应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表，当谐波较大时会产生计量混乱，测量不准确。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。2.9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

21、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。大大增加开关误动作的几率，造成企业的停电损失。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。四、设计解决方案：根据现场测量与现场观察，其中一台变压器所带负荷存在单相负荷，三相电流严重不平衡，功率因数低，电流波动速度快，原补偿设备是使用接触器投切，投切速度跟不上动态变化速度，同时产生大量的.9次谐波，对用电设备照成影响，诱发电网谐振。使电力系统各种测量仪表产生误差，对通讯、电子类设备产生干扰。针对该状况需要

22、设计一套200A有源滤波器。利用有源滤波器响应速度快，滤波能力强大的特点来消除现场的谐波。附录1为有源滤波器DEAPF安装前与安装后电网谐波的分析以及效果。五、设备简介：DEAPF有源滤波装置通过由大容量IGBT管组成的三相并联变流器向系统注入补偿电流，该补偿电流与负荷电流中的谐波电流大小相等，方向相反，互相抵消，实现滤出谐波的功能，保证最终流入系统电流是正弦波。5.1装置主要技术参数：额定频率：50HZ额定电压：0.38kV15%额定电流：200A响应时间：10ms5.2装置主要功能和特点： 主电路采用国际著名品牌的IGBT器件，能自动根据电网运行方式的变化和负载的波动调整输出，以抵消电网中

23、的谐波。 有源滤波装置的滤波性能独立于电网阻抗及系统之外，不受电网阻抗和系统阻抗变化的影响。 滤波范围：可滤除从第2到第51次谐波；可根据需要设定需要滤波的谐波次数和消除谐波的目标值。 有源滤波装置可以方便地通过并联实现现扩容。 过电流限制：采用可靠的限流控制环节，当系统中的谐波电流大于有源滤波装置的治理能力时，有源滤波装置能在自己的额定容量范围内最大限度的对谐波进行补偿，维持正常工作，不会出现过载烧毁等故障。 具备完整的保护功能，包括过载，过电流，短路等，具备系统启动自诊断功能。 具有缓启动控制回路，能够避免自启动瞬间过大的投入电流，并限制该电流在额定范围之内。 网络与通讯：通讯协议为MOD

24、BUS,具备485通讯接口，方便接入用户现有的通讯系统，满足实现通讯监控功能的需要。 控制器：计算与逻辑处理采用全数字化技术，采用DSP并配有功能强大的FPGA芯片。 采用汉字液晶触摸屏，具有故障报警及追忆功能，在面板上能实时显示运行状态，以及设定运行参数。六、使用后效益在采用有源滤波器对系统谐波污染进行治理后的效益：6.1 减少谐波含量，避免TSC电容器组和系统电路可能会发生的并联谐振而引起的烧毁，保证无功补偿柜的正常运行；6.2 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；6.3 减少控制设备和继电保护装置

25、误动作或拒动作，提高供电的安全和可靠性；6.3 补偿三相电流不平衡，减少变压器和线路的铜损以及中线电流，提高供电质量；6.5 减小变压器的附加损耗，降低噪声，提升变压器的带载能力；6.6 在有源滤波器容量足够的情况下，一般情况下滤波后的电流畸变率在5%左右；6.7 DEAPF接入后，还能提升变压器和配电线缆的带载能力，相当于对系统进行了一次扩容，减少了系统在扩容方面的投入；6.8 为精密设备稳定正常工作提供保证；综上，在系统严重的谐波污染得以得到完美的治理后，系统的整体运行效率将会得到提成，系统的安全稳定运行也可以得到有力的保障，因此谐波治理对系统的效益十分巨大。附录1项目名称沈阳新宝路航空机

26、械制造有限公司谐波治理数据编号第1项/共12项安装总数2台100A APF型号规格DEAPF-100/400测试工程师赵 野初装日期2013/7/8验收日期2013/8/13项目描述沈阳新宝路机械制造有限公司为汽车配件制造企业，其中板金车间里有20台气动点焊机工作，由于点焊机的工作方式为点动，正常工况下，当20台点焊机工作的时候电流会瞬间到达200A到1600A,，即电流到达高峰后立即回落，点焊机的平均工作频率为大概为1秒一次，在这种工作频率快且电流波动大的工况下产生大量的谐波电流，电能质量很差，给系统带来了严重的谐波污染，目前的供电质量难以保证稳定生产的需要，为提高供电能质量的同时推进节能降

27、耗和节约生产，保证配电房内的电气设备安全稳定运行，故在为板金车间供电的3#配电房内投入200A有源滤波器。安装及验收测试点示意图验收测试点如上图所示单相测试：分别为电网C相、负载C相、APF输出C相三相测试：电网A、B、C相项目名称沈阳新宝路航空机械制造有限公司谐波治理数据编号第2项/共12项安装总数2台100A APF型号规格DEAPF-100/400测试工程师赵 野初装日期2013/7/8验收日期2013/8/13配电室外景图3#配电室内照片单相测试电流有效值趋势分析该时间段内APF开启，可以看出电网电流相比较负载电流略小一点，主要是谐波滤除的原因项目名称沈阳新宝路航空机械制造有限公司谐波

28、治理数据编号第3项/共12项安装总数2台100A APF型号规格DEAPF-100/400测试工程师赵 野初装日期2013/7/8验收日期2013/8/13单相测试THDI值趋势分析该时间段我们可以比较清楚地看到黑色的线是电网的THDI变化趋势，而红色的是负载的THDI变化趋势，电网的THDI值明显要比负载的THDI值要小得多，说明滤波器滤波效果极好的同时，也说明滤波器快速响应了点焊机的变化。项目名称沈阳新宝路航空机械制造有限公司谐波治理数据编号第4项/共12项安装总数2台100A APF型号规格DEAPF-100/400测试工程师赵 野初装日期2013/7/8验收日期2013/8/13单相测

29、试电流波形分析黑色波形是APF补偿后电网的波形，接近正弦波。红色波形是负载波形，畸变较大，蓝色波形是APF输出的补偿电流，基本上快速响应了负载的变化，很好地补偿了谐波。项目名称沈阳新宝路航空机械制造有限公司谐波治理数据编号第5项/共12项安装总数2台100A APF型号规格DEAPF-100/400测试工程师赵 野初装日期2013/7/8验收日期2013/8/13单相测试数据分析A2项是负载电流其THDI值26.7%，A1项是电网电流其THDI值3.6%，APF滤波效果极好。项目名称沈阳新宝路航空机械制造有限公司谐波治理数据编号第6项/共12项安装总数2台100A APF型号规格DEAPF-100/400测试工程师赵 野初装日期2013/7/8验收日期2013/8/13三相测试开启APF前的波形图电压波形图电流波形图电压波形有明显的缺口畸变严重电流波形不但畸变严重，还存在三相不平衡三相测试开启APF后的波形图电压波形图电流波形图电压波形接近标准正弦波电流波形接近标准正弦波波形图对比小结有源电力滤波器开启后，电压和电流波形的畸变明显减少，接近标准正弦波。滤波效果非常好。项目名称沈阳新宝路航空机械制造有限公司谐波治理数据编号第7项/共12项安装总数2台100A APF型号规格DEAPF-100/400测试工程师赵 野初装日期2013