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【摘要】：现代卷烟厂大量非线性负载的广泛应用使电源侧产生大量的谐波，文章就谐波形成原因和引起的故障进行分析，并寻求解决办法
【关键词】：谐波；变频器；滤波
1.引言
随着电动机变频调速技术的迅猛发展，变频器因其节能效果显著、调节方便、维护简单等优点，在行业内得到广泛应用。与此同时，由于变频器是典型的非线性负载，因此当电流流经变频器时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生了谐波[1]。谐波对电气系统中输电、配电和用电设备的安全和经济运行造成不良影响， 甚至造成某些设备故障[2]。尤其在现代卷烟工厂中，大功率的变频设备，如中央除尘、空调、水泵等变频控制的大量应用，更加容易在电网中产生大量谐波，对设备运行造成影响。
2.工厂谐波现状
2.1 故障情况
在新完成的工厂配电系统送电后，生产设备正常使用，值班电工发现其中个别变压器的低压配电柜的电容柜有故障报警，经检查发现是电容柜多个电容电抗器组的熔断器熔芯熔断。更换熔断器后，发现熔断器很快再次熔断。在对电容等元器件进行检查确认无故障后，对设备的电源质量进行测量。
该变压器所带的负载主要包括3组290 kW的除尘设备、6组75kW的真空泵以及2组45kW的空调主机，这些设备都是采用AB或丹佛斯的变频器控制。在低压柜母线侧测量对电源质量进行测量，其波形和数据如下：
图1：电源质量测试图
图2：电流波形图
根据测量数据发现，在低压配电系统中，存在着大量的谐波，谐波电流达到400A以上，电流畸变率达到了23%以上，有些时段甚至达到了27%，其中谐波电流以5次和7次最多。由于负载较多使用的变频器都为六脉冲的变频器，主要也会产生5、7和11次谐波。因此可以判断出谐波电流主要来源于带有变频器的负载。
2.2熔断器熔断故障分析
尽管电容柜在选型时，也考虑了系统的谐波问题，尤其针对6脉冲变频器会产生的较多的5、7和11次谐波，电容柜采用了电抗率为5.67%的电抗器，其谐振频率为210HZ，一般情况下，这种滤波回路对5、7、9次谐波的滤出效果在80%以上，对11次谐波滤除效果也可以达到40%以上。然而电容柜的电容电抗器组在投用后，熔断器会很快熔断，无法正常使用。
经过分析认为，由于系统中主要是变频器负载，变频器往往自带电容补偿。系统在补偿柜投入前的功率因数比较高，达到0.94以上。因此需要投入的电容电抗器组的数量也较少，使得过大的谐波电流集中流向了阻抗低的电容柜中的个别电容电抗器组，引起了熔断器熔断。
3.解决方案
针对现有系统以及设备布局等因素，较为合适的是采用在配电房进行谐波的集中治理、在负载和补偿柜之间安装并联有源滤波器的方案。
我们根据测出的系统总谐波电流，再乘以一个安全系数FS=1.15，就可以计算出我们需要配置的有源滤波器的容量。例如，12#变压器的总谐波电流约为423A，则我们需要选择的有源滤波装置的容量为480A。
注：这个安全系数是为了系统的谐波电流浮动，以尽量保证电流畸变率在5%以下，与有源滤波器的满负载运行安全无关。
安装后对电源质量进行了测量，其数据如下：
图3：电源质量测试图（滤波后）
图4：电流波形图（滤波后）
从测量数据可以看出，安装了有源滤波后的电源波形得到了很大改善，电流畸变率由百分之二十多，降低至百分之三点多，电容柜的熔断器也不再烧毁，效果比较明显。
4.结论
在未来的设备管理和技术改造项目中，由于自带滤波装置的变频器价格昂贵，谐波电流较大的6脉冲的变频器仍然将在未来的技术改造项目中广泛使用，系统中必然有大量的谐波电流存在。我们需要充分考虑有源滤波器、无源滤波器以及电容补偿柜的特点，将谐波治理、电容补偿的问题统筹考虑，从而达到改善电源质量，降低设备投入的成本。我们可以采取以下措施：
4.1预先对新选购的和在用的变频器进行电源质量测量。在配电设计阶段，就应该用电能质量分析仪对新购买的变频器的电源质量参数进行测量，估算出系统需要的无功补偿量和谐波量的大小。
4.2优化配电系统的电容补偿、无源滤波和有源滤波方案。针对负载特性，在出线位置串联无源滤波器；对于系统中较为分散的谐波源，则可以在配电房安装有源滤波器进行集中治理。对于无功补偿，则应考虑减去无源滤波器的补偿量和变频器自带的补偿量，从而达到提高电源质量、降低投资成本的目的。
[1]变频器谐波的产生和危害及其解决方法探讨姚 骞，舒朝君，孙 强，李怀峰，徐 辉，李纪山 （四川大学， 610065）
[2] 谐波对电气系统的影响及其抑制方法李汉伟技
【关键词】：谐波；变频器；滤波
1.引言
随着电动机变频调速技术的迅猛发展，变频器因其节能效果显著、调节方便、维护简单等优点，在行业内得到广泛应用。与此同时，由于变频器是典型的非线性负载，因此当电流流经变频器时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生了谐波[1]。谐波对电气系统中输电、配电和用电设备的安全和经济运行造成不良影响， 甚至造成某些设备故障[2]。尤其在现代卷烟工厂中，大功率的变频设备，如中央除尘、空调、水泵等变频控制的大量应用，更加容易在电网中产生大量谐波，对设备运行造成影响。
2.工厂谐波现状
2.1 故障情况
在新完成的工厂配电系统送电后，生产设备正常使用，值班电工发现其中个别变压器的低压配电柜的电容柜有故障报警，经检查发现是电容柜多个电容电抗器组的熔断器熔芯熔断。更换熔断器后，发现熔断器很快再次熔断。在对电容等元器件进行检查确认无故障后，对设备的电源质量进行测量。
该变压器所带的负载主要包括3组290 kW的除尘设备、6组75kW的真空泵以及2组45kW的空调主机，这些设备都是采用AB或丹佛斯的变频器控制。在低压柜母线侧测量对电源质量进行测量，其波形和数据如下：
图1：电源质量测试图
图2：电流波形图
根据测量数据发现，在低压配电系统中，存在着大量的谐波，谐波电流达到400A以上，电流畸变率达到了23%以上，有些时段甚至达到了27%，其中谐波电流以5次和7次最多。由于负载较多使用的变频器都为六脉冲的变频器，主要也会产生5、7和11次谐波。因此可以判断出谐波电流主要来源于带有变频器的负载。
2.2熔断器熔断故障分析
尽管电容柜在选型时，也考虑了系统的谐波问题，尤其针对6脉冲变频器会产生的较多的5、7和11次谐波，电容柜采用了电抗率为5.67%的电抗器，其谐振频率为210HZ，一般情况下，这种滤波回路对5、7、9次谐波的滤出效果在80%以上，对11次谐波滤除效果也可以达到40%以上。然而电容柜的电容电抗器组在投用后，熔断器会很快熔断，无法正常使用。
经过分析认为，由于系统中主要是变频器负载，变频器往往自带电容补偿。系统在补偿柜投入前的功率因数比较高，达到0.94以上。因此需要投入的电容电抗器组的数量也较少，使得过大的谐波电流集中流向了阻抗低的电容柜中的个别电容电抗器组，引起了熔断器熔断。
3.解决方案
针对现有系统以及设备布局等因素，较为合适的是采用在配电房进行谐波的集中治理、在负载和补偿柜之间安装并联有源滤波器的方案。
我们根据测出的系统总谐波电流，再乘以一个安全系数FS=1.15，就可以计算出我们需要配置的有源滤波器的容量。例如，12#变压器的总谐波电流约为423A，则我们需要选择的有源滤波装置的容量为480A。
注：这个安全系数是为了系统的谐波电流浮动，以尽量保证电流畸变率在5%以下，与有源滤波器的满负载运行安全无关。
安装后对电源质量进行了测量，其数据如下：
图3：电源质量测试图（滤波后）
图4：电流波形图（滤波后）
从测量数据可以看出，安装了有源滤波后的电源波形得到了很大改善，电流畸变率由百分之二十多，降低至百分之三点多，电容柜的熔断器也不再烧毁，效果比较明显。
4.结论
在未来的设备管理和技术改造项目中，由于自带滤波装置的变频器价格昂贵，谐波电流较大的6脉冲的变频器仍然将在未来的技术改造项目中广泛使用，系统中必然有大量的谐波电流存在。我们需要充分考虑有源滤波器、无源滤波器以及电容补偿柜的特点，将谐波治理、电容补偿的问题统筹考虑，从而达到改善电源质量，降低设备投入的成本。我们可以采取以下措施：
4.1预先对新选购的和在用的变频器进行电源质量测量。在配电设计阶段，就应该用电能质量分析仪对新购买的变频器的电源质量参数进行测量，估算出系统需要的无功补偿量和谐波量的大小。
4.2优化配电系统的电容补偿、无源滤波和有源滤波方案。针对负载特性，在出线位置串联无源滤波器；对于系统中较为分散的谐波源，则可以在配电房安装有源滤波器进行集中治理。对于无功补偿，则应考虑减去无源滤波器的补偿量和变频器自带的补偿量，从而达到提高电源质量、降低投资成本的目的。
[1]变频器谐波的产生和危害及其解决方法探讨姚 骞，舒朝君，孙 强，李怀峰，徐 辉，李纪山 （四川大学， 610065）
[2] 谐波对电气系统的影响及其抑制方法李汉伟技