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谐波滤除装置

谐波滤除装置

POWER

上海殷家集团有限公司

SHANGHAIINGAGROUPCO。

LTD

■目录

概述

主要技术指标

外型尺寸和参数

整机及主要部件图

使用条件

工作原理

元器件特性

装置与负载连接

检测方法

使用范围

案例分析

■概述

一、谐波的概念

在一些现在工业或商业的动力系统中，有时会出现一些原因莫明的故障或事故。

例如，在额定负荷范围内，有些变压器或电缆会出现异常温升，有些出现补偿电容器或熔断器发热烧毁、一些测控元件或控制保护设备产生异常误差或误动作、负荷开关失控、生产工艺或产品质量不稳定等问题。

而且，事件后的调查往往发现上述出问题的设备在事前性能和状态都是好的，那么，引起这些故障或事故的原因是什么呢？

如果这些故障或事故只是偶然出现一次；那其起因有很多可能；但如果在相同条件下多次或经常出现同类问题，那我们因该有所警觉；最可能的起因只有一个——电力谐波及其影响。

在理想情况下，电源提供的电压和电流具有标准50Hz频率的正弦波形，但在实际中供电电压和电流的波形由于某些原因产生畸变，即叠加了谐波成分，电力谐波是一些频率为基波频率整数倍的正弦波分量，又称高次谐波。

谐波成分的多少，反映了电压和电流实际波形偏离理想波形的畸变程度，所以说，电力谐波是反映动力系统电能质量好坏的一个重要指标。

二、谐波的产生和传播

在用电系统中，产生谐波的根本原因是由于具有非线形阻抗特性的用电设备（又称非线形负荷）用电的结果。

这些非线形负荷在工作时从电网取用非正弦电流，就是说，即使电流给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们具有电流不随着电压同步变化的非线形的电压-电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，即这种电流是由基波与谐波成分组成，结果使其波形产生畸变。

谐波电流流经电网阻抗，形成谐波电压，导致电源系统的电压波形畸变，使电能质量变坏，从而影响同一供电系统的其它负荷设备。

三、谐波的危害

1）供用电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面：

供电设备在高频分量作用下，集肤效应增大、涡流、磁滞等影响增加，引起异常过热，损耗大为增加。

由于谐波频率的叠加影响导致频率不稳，使旋转电机转速不稳，附加损耗增加，使用电设备机械振动加大，甚至发生机械谐振。

谐波成分使电流和电压波形发生畸变，波峰的畸变会使对峰值敏感的设备或元件受影响（如过电压引起击穿或过电流引起误动），而波形过零点的畸变直接对测控元件或设备产生干扰和误动。

2）以下为易受谐波影响的主要设备：

变压器、旋转电机：

铁芯磁感应环流增加，大大加大电气设备发热损耗增加功耗；加速绝缘老化，影响设备寿命。

电线电缆：

集肤效应增大，发热损耗增加；加速绝缘老化，影响寿命。

电力电容器组：

谐波电压会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大，附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。

另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器及熔断器因过热、过电压等而不能正常运行甚至烧毁。

供用电设备：

旋转电机转速不稳，供用电设备机械振动加大，甚至发生机械谐振。

测控元件或设备：

受谐波干扰而出错或误动。

如负荷开关误跳、产生测控设备失控或不稳定。

四、谐波的消除

我公司生产的LHC谐波滤除装置是针对电网低压侧不同频率点的高次谐波（3次、5次、7次、11次……）进行吸收的一种无源滤除装置，它主要适用于中频炉、直流电动机、马达、静态变流器、焊接设备、电弧炉等非线形负载的企业。

该装置主要采用了电抗器和电容器在不同频率点处发生谐振，从而在该频率点产生很低的阻抗，以至达到吸收该次谐波的目的，因此，避免将谐波电流返送到电力变压器，大大地降低了电网的谐波量，同时，又有利于用户电力变压器长期有效的运行，降低功耗及电力元器件额外发热和损失，提高了设备和其他电器组件运行的可靠性和安全性。

该装置还可提供约15%的基波（50Hz）无功功率补偿，且有一定的节电效果。

因此，使用该装置是最经济的投资，且投资费用一般于8—14个月左右即可收回。

同时，国家为规范其电网电能质量，已开始强制对一些谐波分量大的厂家进行了不同程度的罚款和停产。

LHC系列产品广泛应用于制造业、加工业、煤矿、冶金工业中的感应加热、商业建筑中的电梯、风机、商业和工业建筑楼宇中的计算机及其他重要负载所用的不间断电源。

■主要技术指标

1、额定工作电压：

三相四线380±20%（可设定）

2、容量：

（每个GGD柜容量为500KVA）允许5次谐波容量最大电流为140A，允许7次谐波容量最大电流为90A。

3、谐波电流吸收率

对于5次谐波吸收率平均为75%

对于7次谐波吸收率平均为70%

4、电压谐波畸变率（在公共连接点）≤5%THDu（400V）

5、无功补偿量：

约60—360kvar

6、自动保护功能：

过流保护：

5次谐波时动作点电流为130A，7次谐波时动作点电流为80A。

过热保护：

电抗器温度105℃时（最大温升60℃），保护动作。

保护形式：

电阻限流方式。

7、装置启动及停止方式：

自动。

8、连续工作温升

电抗器温升不大于60℃。

电容器温升不大于30℃。

9、显示方式：

电压、电流、视在功率、有功功率、无功功率、功率因数、过压值。

10、外型：

标准GGD柜。

■外型尺寸和参数

系统电压

200—1100V

基波频率

50/60Hz

每柜输出容量

约60—360kvar

柜体尺寸

W×D×H（mm）

600×800×2200

800×800×2200

1000×800×2200

防护等级

IP20

执行标准

《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93

《电能质量电力系统频率允许偏差》GB/T15945-95

《电能质量供电电压允许偏差》GB12325-90

《电能质量电压允许波动和闪变》GB12326-2000

《电能质量三相电压允许不平衡度》GB/T15543-95

IEEE-519Q/TSH12-2001

谐波吸收

3次、5次、7次、11次……

如有特殊规格要求，请洽洵本公司相关人员

■整机及主要部件图

■使用条件

LHC谐波滤除装置正常使用条件：

1、环境湿度：

-25℃55℃

2、海拔高度：

≤1000m

3、相对湿度：

≤90%（25℃）

4、安装场所应无严重影响本装置的绝缘气体、蒸汽、化学沉积、灰尘、污垢及其他爆炸性和侵蚀性介质。

5、安装场所应无严重振动。

6、凡不符合上述规定的特殊使用条件，应由使用单位和我厂协商确定。

■工作原理

输电及配电系统是根据频率恒定，并在电压及电流波形是正弦波的条件下运行而设计的。

然而非线形负载如：

晶闸管、整流器、电弧炉中频炉等连接至系统会产生大量的谐波电流而导致系统电压及电流波形畸变。

为了消除电力系统上的谐波，使用谐波滤波器是最佳的方法，同时在基波频率亦可产生无功功率补偿。

谐波滤波器是由电容器、串联电抗器所组成的。

谐波滤波器中的电容器容量是依据在基波频率时，系统所需补偿的无功功率和各次谐波电流而设计的。

而电抗器的电感值的选择是依据在该次谐波频率时，能与电容器产生串联谐振回路而设计的，结果使谐波滤波器在该次谐波频率时形成非常低的阻抗，让大部分的该次谐波电流流入谐波滤波器。

典型的谐波滤波器，大部分为5次、7次、11次、13次（如上图所示）。

谐波滤波器的柜体是由钢板组合而成，其中包含电磁接触器、热继电器、电抗器、电容器，通常谐波滤波经熔丝再接至汇流排。

谐波滤波器和自动投切电容器柜的控制方式皆依据负载所需的无功功率，由功率因数调整器自动调整。

谐波滤波器是针对客户现场需求而设计，并保证达到最好的无功功率补偿及吸收谐波的特性以达到有效的投资效益。

其主回路工作过程，如下图：

对于LC主回路，其特征阻抗为Z0=（L/C）1/2回路Q值为Q=Z0/R0，R0为等效电阻与限流电阻之值，Q值决定了LC回路的吸收率，PC为有源分路的调节器，受控于谐波电流检测控制单元，控制器则提供系统的无功状态，二者通过运算来解决PC的运行方式，此外，当电抗器L的温度过高时，将优先断开PC，而使R0投入了保护装置在过大的谐波电压下电抗器的寿命，由此完成了一个完整的LC滤波吸收工作方式。

■元器件特性

一、电容器

1、使用法国和德国材料的电介质，干式并具有自复性。

2、内部每一元件均含

（a）过电流保护

（b）温度过高保护

（c）压力过大保护

3、内无释放电阻，才用外接线圈释放。

4、电容器内部未用保险丝，采用压力保护架。

5、没一单元均有接线盒、接地端子，以确保用电安全。

6、额定频率50Hz/60Hz均有。

7、绝缘基准3KVrms/15Kvcrest。

8、电力损耗低（内无释放电阻）<0.4W/kvar重量轻。

9、可耐1.1倍的连续过电压。

10、可耐1.3倍的连续过电流。

11、适用温度范围-40℃/D（+50℃）。

12、设计年、制造及实验依据IEC、VDE、BS，并适合大部分国家及国际标准之要求。

13、经UL及CSA审核通过。

二、电抗器

1、未用铁芯，而是采用空芯铜排制成，原因：

（a）铁芯噪音大。

（b）易饱和产生谐振。

（c）必须使Q值降低（Q值愈高，磁场愈强）。

2、线圈绝缘：

使用多元酯薄膜或树脂与玻璃纤维混合而成。

3、绝缘等级B级（130℃）或F级（155℃）。

4、周围温度-40℃/+40℃，最大亦可要求55℃。

5、制造标准：

IEC289/VDE0532。

三、主接触器

1、采用机电一体化开关（一个周波内，冲击电流可达额定电流的10倍）。

2、模块采用进口可控硅。

四、谐波控制器

1、比流器：

5A0.7VA（Burden）。

2、输出接点容量2.0A，400VAC。

3、所有经设定之值不受电压变动而影响其操作程序。

4、断电后自动将有输出接点跳脱，。

复电后再依序投入。

5、频率：

50Hz或60Hz。

6、适用温度范围0...+50℃。

7、体积小，重量轻。

■装置与负载连接

该装置与负载上的连接为并联方式，其公共连接点（PCC）外接入系统三相电源，装置到PCC处的连接线应考虑到谐波电流值，选择导线截面应考虑电流趋肤效应的影响，其电流密度应按2.5A/mm2选择。

本装置采用70mm2塑胶电线作为与PCC的连接导线。

因国际上IEC标准规定的谐波电压及电流允许量是与公共连接点（PCC）处短路容量有关的，如下图表（国际标准）所示：

表1.1公用电网谐波电压（相电压）限值国家标准

电网额定电压KV

电压总谐波畸变率%

各次谐波电压含有率%

奇次

偶次

0.38

5.0

4.0

2.0

6

4.0

3.2

1.6

10

4.0

3.2

1.6

35

3.0

2.4

1.2

66

3.0

2.4

1.2

100

2.0

1.6

0.8

表1.2IEEE-519PCC谐波电流限值（Ih/I1）%

Ih/I1

奇次谐波h

THD（%）

h<11

11≤h<17

17≤h<23

23≤h<35

35

<20

4.0

2.0

1.5

0.6

0.3

5.0

20-50

7.0

3.5

2.5

1.0

0.5

8.0

50-100

10.0

4.5

4.0

1.5

0.7

12.0

100-1000

12.0

5.5

5.0

2.0

1.0

15.0

>1000

15.0

7.0

6.0

2.5

1.4

20.0

表1.3PCC谐波电压限值（Vh/V1）%

2.3-69kV

69-138kV

>138kV

单次谐波电压限值

3.0

1.5

1.0

电压谐波总畸变限值

5.0

2.5

1.5

对于0.4kV等级谐波限制的允许量，国际通用标准和国内标准为5%，这也作为本装置的验收标准。

■检测方法

检验装置的谐波效果应在PCC出处进行，选择ANALYST2060钳型电能分析仪（简称LEM表）或采用美国FLUKE43B型电能分析仪，测试数据包括谐波电流分量、线总电流波形图、谐波电压分量、以及（相）电压波形图。

LEM表最多可储存8份数据，FLUKE43B表最多可储存20份数据，二者可通过微机接口打印出测量结果，同时也可在线监测。

■适用范围

本装置使用3、5、7、11次等高次谐波的吸收，主要针对非线形负载，对于如整流电镀、变压器、中频炉、电弧炉、变频器及其他谐波分量大的装置应针对其主谐波特征进行测量再决定滤波装置的谐波吸收次数和容量，其基本工作方式相同。

LHC系列滤波装置的优点在于运行稳定可靠，成本比有源滤波装置低得很多，尤其适用于谐振点少于3个的特定负载。

其缺点就是对于谐振点大于3个的负载，其占地面积大，成本上升，这时应考虑有源滤波为主。

■案例分析

症状一：

一个汽车制造厂在组装线输送机上有很多电子调速驱动装置，并使用了无功补偿电容来修正功率因数，不久他们就发现，电容器的损坏率很高；同时输送线设备的控制精度经常出错，导致次品率上升。

问题分析：

无功补偿电容器和配电网的感抗偶合，在高于基波的频率上形成谐振，在没有谐波分量存在时，通常不会有什么问题。

但当使用电子调速驱动装置或整流换流设备，使回路中出现谐波时，就可能产生与补偿电容相关的谐振放大，从而引起过电压和大电流，在烧损补偿电容的同时，也干扰了正常生产。

症状二：

一个大型印刷中心，在用新的高效电子驱动替代了机械式电机调速装置后，生产线恢复不久，供电变压器就发生了故障。

问题分析：

新的电子驱动产生的谐波电流引起变压器过热，并导致最终的故障，这种情况对母排、电缆、及电机等都有可能发生。

症状三：

一铝材厂功率因数为0.85，厂内工程师为免交力率附加费，计划进行无功补偿，但补偿电容安装以后功率因数却只有0.72。

问题分析：

按规定，供电部门对功率因数过低的用户收取额外的费用（力率附加费），对低于0.9的功率因数通常有较高的收费比例。

一般感应符合（电机）吸收无功引起的功率因数低下，可通过电容补偿无功来提高功率因数。

对有大量谐波分量的用户，功率因数是基波位移功率因数（DPF）和一个较下的谐波分量的结合。

当谐波分量较为显著时，使用补偿电容放大了谐波电流，使电路的综合功率因数更差。

对以上案例其最终解决方法就是要把各用电系统谐波分量降到一定范围以内，而选择适当的补偿和滤波方案是达到这一目标的最有效、简便实用的途径