智能電網(wǎng)之電力、電網(wǎng)諧波的危害

時間：2012-08-24 13:21:34

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[導(dǎo)讀]21ic智能電網(wǎng)：概述：隨著科技的不斷進(jìn)步，全球工業(yè)化的進(jìn)程不斷加快，對各種原材料的需求也不斷增大，特別是鋼材的需求量正以十分迅猛的速度增長。在2004年中國鋼材產(chǎn)量達(dá)2.7億噸。成為世界上第二大鋼材生產(chǎn)國家，中

21ic智能電網(wǎng)：概述：

隨著科技的不斷進(jìn)步，全球工業(yè)化的進(jìn)程不斷加快，對各種原材料的需求也不斷增大，特別是鋼材的需求量正以十分迅猛的速度增長。在2004年中國鋼材產(chǎn)量達(dá)2.7億噸。成為世界上第二大鋼材生產(chǎn)國家，中國的鋼材廠家也不斷在發(fā)展壯大，而鋼廠的主要設(shè)備是由電弧煉鋼爐、變頻煉鋼爐和直流電動機(jī)等組成。從它的構(gòu)成的原則就決定了這是占據(jù)大量功率及產(chǎn)生大量諧波的設(shè)備裝置。無功功率的增大及諧波的發(fā)生直接對電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重污染。

一、無功功率的影響：

1、設(shè)備及線路損耗增大。無功功率的增加使總電流增大，使設(shè)備及線路損耗增加，用電量增加是顯而易見的。

2、增大設(shè)備容量。無功功率的增加會導(dǎo)致電流和視在功率的增大，從而使發(fā)電機(jī)、變壓器、用電設(shè)備的容量和導(dǎo)線容量增加，同時，電力用戶的起動及控制設(shè)備、測量儀表尺寸和規(guī)格也加大，增加了基建的投入。

3、線路的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負(fù)載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質(zhì)量降低，影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行。

二、諧波的危害：

1、諧波使公用電網(wǎng)系統(tǒng)下設(shè)備元件產(chǎn)生了附加諧波損耗，降低了發(fā)電，輸電及用電設(shè)備的效率(導(dǎo)致用電量大增加)，大量的3次以上的諧波流過中性線路時，會使線路過熱損壞甚至發(fā)生火災(zāi)。

2、諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，諧波對電機(jī)的影響除了引起附加損耗外，還會引起機(jī)械振動、噪聲增加和過電壓;使變壓器局部，電容器、電纜等設(shè)備發(fā)熱。加速設(shè)備絕緣老化、減少使用壽命以至設(shè)備損壞報(bào)廢。

3、諧波的發(fā)生還會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，從而進(jìn)一步引起諧波放大，使上述的危害大大增加。甚至還會引起嚴(yán)重電力事故。

4、諧波還會影響電氣線路中的保護(hù)元件，繼電器、自動系統(tǒng)裝置的誤操作，電氣測量儀表不準(zhǔn)確等等。

5、諧波在注入電網(wǎng)系統(tǒng)后會對鄰近的通信信號產(chǎn)生干擾，影響一定范圍的通話質(zhì)量。觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，威脅通信設(shè)備和人員的安全。

綜上所述。無功功率增大和諧波放大對供電部門和用戶自身都造成極大的危害和損失，國家對諧波的治理制定了相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-93)，只有在國家允許的諧波含有量下供電部門才能對其正常供電。諧波含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)所允許值的用電戶，供電部門對其采取經(jīng)濟(jì)罰款和停止供電等措施。

針對冶煉行業(yè)的實(shí)際問題，一些冶煉廠家的基本目的是提高系統(tǒng)的功率因數(shù)采用安裝無功補(bǔ)償屏方法，通過對無功功率的調(diào)整，使用補(bǔ)償電容器對其進(jìn)行補(bǔ)償以達(dá)到功率因數(shù)。無功補(bǔ)償屏是結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)優(yōu)惠的特點(diǎn)，但本身存在較嚴(yán)重的缺陷：

1、產(chǎn)生的諧波電流直接疊加在電容器的基波電流上，使電容器電流有效值變大，本身的溫升增高，甚至引起過熱，而對電容器燒毀。

2、產(chǎn)生的諧波電壓直接疊加在電容器的基波電壓上，使電容器電壓峰值大大增加，諧波還使電容器在運(yùn)行中發(fā)生的局部放電不能完成，這往往是使電容器最易損壞的主要原因。

3、因?yàn)槭褂玫碾娙萜髦杏锌赡芘c系統(tǒng)中發(fā)生諧振將諧波放大，這也是最大的危害，不僅對電容器本身造成損壞，嚴(yán)重時候還可能危及電網(wǎng)中的各類電氣設(shè)備、破環(huán)電網(wǎng)的正常使用。

直接采用電容補(bǔ)償?shù)姆椒ù_實(shí)可以提高功率因數(shù)，減少無功損耗的優(yōu)點(diǎn)，但對諧波治理卻沒有起到更好的作用，甚至有時與電網(wǎng)諧振點(diǎn)發(fā)生諧振而產(chǎn)生諧波放大(導(dǎo)致用電量大大增加)。在這樣的基礎(chǔ)下我公司研究開發(fā)出的消諧濾波補(bǔ)償裝置彌補(bǔ)了電容器補(bǔ)償屏的不足，且結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)高效。

消諧濾波補(bǔ)償裝置主要是由單調(diào)濾波器對諧波的抑制，而一個單調(diào)濾波器是由電容器、電抗器和電阻器等組成。電抗器的電感值選擇與電容器在某次諧波頻率上產(chǎn)生串聯(lián)諧振，形成低阻抗電路，該諧波電流大部份流入濾波器。對于基波頻率，濾波器仍同電容器一樣向系統(tǒng)提供功率因數(shù)補(bǔ)償，這也是一個傳統(tǒng)意義的電容器組。綜上所述，供電系統(tǒng)接入消諧濾波補(bǔ)償裝置后可以做到一舉三得。

1、濾除系統(tǒng)高次諧波，減少由諧波所產(chǎn)生的一切噪聲干擾和設(shè)備線路損耗，節(jié)省電能10%~30%左右。

2、同時對功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，使功率因數(shù)達(dá)到理想要求0.95以上(cosφ≥0.95)

3、安裝消諧濾波補(bǔ)償裝置不僅同時起到濾除高次諧波、提高功率因數(shù)。而且消諧濾波裝置的增加投入維護(hù)也很少，這樣既節(jié)約成本又減少耗電能。

三、消諧濾波補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)分析

以負(fù)載為500KW的鑄鋼車間為例，沒有安裝補(bǔ)償屏或消諧濾波補(bǔ)償裝置的鑄鋼車間一般功率因數(shù)都在(cosφ=0.6~0.7)之間，按負(fù)載率運(yùn)行90%計(jì)算。

有功功率P=500×90%=450KW

視在功率S=640KVA

每月計(jì)算設(shè)備運(yùn)行22天，每天工作12小時。

每月設(shè)備的耗電能：640×22×12=168960(度)

每月交納的電費(fèi)費(fèi)用：以現(xiàn)在每度電費(fèi)價(jià)格為0.6元計(jì)算。168960×0.6=101，376(元)

根據(jù)水電部和國家物價(jià)局頒布《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》規(guī)定;按0.9為標(biāo)準(zhǔn)的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定功率因數(shù)為(cosφ=0.7)時月電費(fèi)追加10%，功率因數(shù)為(cosφ≥0.95)時月電費(fèi)下調(diào)0.75%。

實(shí)際功率因數(shù)為(cosφ=0.7)時500KW設(shè)備實(shí)際所交納電費(fèi)費(fèi)用為：

101376+101376×10%=111，513.6元。

投入濾波補(bǔ)償裝置后把鑄造車間的功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95以上(cosφ≥0.95)，同時也對系統(tǒng)針對性的3、5、7、11、13次等各次諧波抑制到國家標(biāo)準(zhǔn)諧波GB/T14549-93《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波》所規(guī)定的諧波量值以下，達(dá)到電力部門諧波管理的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。避免供電部門對因用戶注入公用電網(wǎng)的諧波量不合格而限制用電、斷電的可能，減少由限制用電、斷電而避免的不必要經(jīng)濟(jì)損失。

安裝消諧濾波補(bǔ)償裝置不僅濾除諧波，還能對其功率因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償在功率因數(shù)補(bǔ)償上后還能節(jié)約一塊電能損耗的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用，還是以負(fù)載為500KW的鑄鋼車間為例把功率因數(shù)提高到(cosφ=0.95)為標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約的電能損耗費(fèi)用如下：

有功功率P=450KW

無功功率Q=148Kvar

視在功率S=475KVA

每月計(jì)算設(shè)備運(yùn)行22天，每天工作12小時。

每月設(shè)備的耗電能：475×22×12=125400(度)

每月交納的電費(fèi)費(fèi)用：以現(xiàn)在每度電費(fèi)價(jià)格為0.6元計(jì)算。125400×0.6=75，240(元)

實(shí)際功率因數(shù)為(cosφ=0.95)時500KW設(shè)備實(shí)際所交納電費(fèi)費(fèi)用為：

75240-75240×0.75%=74，675.7

所以安裝了一套消諧濾波裝置這500KW的鑄鋼車間每月能節(jié)省電費(fèi)支出：

111，513.6-74，675.7=36，837.9(元)

如果500KW負(fù)載無功補(bǔ)償屏一套設(shè)備售價(jià)要7萬元左右，而消諧濾波裝置一套設(shè)備售價(jià)只需10萬元左右，正常情況下半年就可以返回設(shè)備成本。本設(shè)備免維護(hù)強(qiáng)，投入運(yùn)行后維護(hù)費(fèi)用基本是零支出。設(shè)備使用壽命長，正常運(yùn)行下設(shè)備壽命達(dá)20年。

而使用無功補(bǔ)償屏雖然能達(dá)到國家功率因數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但諧波造成的損耗無法降低，還是會造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

實(shí)踐證明，使用消諧濾波補(bǔ)償裝置比使用無功補(bǔ)償屏節(jié)約電能20%，減少電費(fèi)費(fèi)用。

四、商業(yè)區(qū)、商場、寫字樓、辦公樓等設(shè)施的諧波危害同樣巨大，主要產(chǎn)生諧波的設(shè)備和裝置有：

1.整流器和整流設(shè)備;

2.影視設(shè)備：TV、TV監(jiān)視器等;

3.計(jì)算機(jī);

4.復(fù)印機(jī)：含圖象復(fù)印機(jī);

5.打印機(jī);

6.傳真機(jī);

7.UPS電源系統(tǒng);

8.電子控制照明裝置(如調(diào)光、電子熒火燈鎮(zhèn)流器等);

9.電梯;

10.空調(diào)(尤其是變頻調(diào)速裝置);

11.焊機(jī)設(shè)備;

12.微波爐;

13.開關(guān)模式電源(SMPS);

14.磁性鐵芯設(shè)備;

計(jì)算機(jī)產(chǎn)生以3次、5次和7次諧波為主的諧波，而筆記本便攜式計(jì)算機(jī)則產(chǎn)生的諧波頻譜更加廣泛。

復(fù)印機(jī)產(chǎn)生以3、5、7、9、11、13次諧波為主的諧波。

可變頻驅(qū)動裝置則產(chǎn)生以5、7次諧波最為明顯。

三相供電有六個脈沖橋式可控硅整流器的UPS電源，則沒有3次諧波，而5、7次諧波則最為顯著。三相供電有十二個脈沖可控硅整流器時，那么11、13次諧波則最為顯著。而單相供電的UPS電源則以3次諧波為主。

諧波的危害與影響

1造成電網(wǎng)電壓的嚴(yán)重畸變(用電量大大增加);

2電纜電線過熱，絕緣老化加速，易損壞并導(dǎo)致線間短路和接地故障引起電氣火災(zāi)和人身電擊事故;

3變壓器和馬達(dá)的過熱，損壞甚至于燒毀;

4補(bǔ)償功率因數(shù)的電容器過熱，易損壞，壽命短;

5供電系統(tǒng)損耗增加;

6系統(tǒng)的功率因數(shù)降低;

7斷路器及漏電保護(hù)裝置、接觸器、熱繼電器等電氣保護(hù)元件過熱，失靈，誤動作，接地保護(hù)裝置功能失常;

8中性線過負(fù)荷、發(fā)熱，甚至于燒毀、著火;

9過零噪音;

10集膚效應(yīng)顯著;

11計(jì)算機(jī)死機(jī)，鎖住;

12浪費(fèi)系統(tǒng)容量，降低保護(hù)功能;

13通訊與影像設(shè)備失誤;

14給供電系統(tǒng)帶來難題;

15對多租戶大型商用辦公大樓配電系統(tǒng)的諧波治理問題糾紛越來越突出。(其原因有二：其一，辦公設(shè)備效率，節(jié)能以及調(diào)速驅(qū)動(ASD)，高效熒光照明和電子設(shè)備等，引起系統(tǒng)的諧波畸變水平不斷升高;其二，由于這種系統(tǒng)的多用戶特點(diǎn)和諧波源的小功率，分散性特征帶來責(zé)任區(qū)分上的困難，因此，當(dāng)諧波問題發(fā)生時，容易引起供用電各方之間的糾紛);

16醫(yī)療設(shè)備誤動作，帶來醫(yī)療事故，甚至于電源系統(tǒng)遭到破壞;

17機(jī)場難以正常運(yùn)行，國防設(shè)施受到影響;

18金融、證券交易中心，電源誤動作，失靈，停電，將會造成重大經(jīng)濟(jì)損失;

19地鐵、輕軌、電氣機(jī)車、停電、停運(yùn)造成交通事故。

從國外的電能質(zhì)量分析比如英國電源質(zhì)量問題出現(xiàn)的頻率統(tǒng)計(jì)：

方面諧波對地泄漏電流電壓擾動

發(fā)生頻率高中低高中低高中低

商業(yè)的71%20%9%20%31%49%51%27%22%

公共事業(yè)的60%20%20%31%31%39%31%49%20%

60%31%9%40%31%29%40%31%29%

高：一年造成的停機(jī)事故在12次以上;

中：一年造成的停機(jī)事故在2-12次之間;