谐波对钢铁行业的危害及治理.docx

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谐波对钢铁行业的危害及治理

谐波对钢铁行业的危害及治理

概述：

随着科技的不断进步，全球工业化的进程不断加快，对各种原材料的需求也不断增大，特别是钢材的需求量正以十分迅猛的速度增长。

在2004年中国钢材产量达2.7亿吨。

成为世界上第二大钢材生产国家，中国的钢材厂家也不断在发展壮大，而钢厂的主要设备是由电弧炼钢炉、变频炼钢炉和直流电动机等组成。

从它的构成的原则就决定了这是占据大量功率及产生大量谐波的设备装置。

无功功率的增大及谐波的发生直接对电力系统造成严重污染。

一、无功功率的影响：

1、设备及线路损耗增大。

无功功率的增加使总电流增大，使设备及线路损耗增加，用电量增加是显而易见的。

2、增大设备容量。

无功功率的增加会导致电流和视在功率的增大，从而使发电机、变压器、用电设备的容量和导线容量增加，同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表尺寸和规格也加大，增加了基建的投入。

3、线路的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量降低，影响其它设备的正常运行。

二、谐波的危害：

1、谐波使公用电网系统下设备元件产生了附加谐波损耗，降低了发电，输电及用电设备的效率（导致用电量大增加），大量的3次以上的谐波流过中性线路时，会使线路过热损坏甚至发生火灾。

2、谐波影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除了引起附加损耗外，还会引起机械振动、噪声增加和过电压；使变压器局部，电容器、电缆等设备发热。

加速设备绝缘老化、减少使用寿命以至设备损坏报废。

3、谐波的发生还会引起公用电网中局部的并联谐振或串联谐振，从而进一步引起谐波放大，使上述的危害大大增加。

甚至还会引起严重电力事故。

4、谐波还会影响电气线路中的保护元件，继电器、自动系统装置的误操作，电气测量仪表不准确等等。

5、谐波在注入电网系统后会对邻近的通信信号产生干扰，影响一定范围的通话质量。

触发电话铃响，甚至在极端情况下，威胁通信设备和人员的安全。

综上所述。

无功功率增大和谐波放大对供电部门和用户自身都造成极大的危害和损失，国家对谐波的治理制定了相应的控制标准《电能质量－公用电网谐波》（GB/T14549－93），只有在国家允许的谐波含有量下供电部门才能对其正常供电。

谐波含量超过国家标准所允许值的用电户，供电部门对其采取经济罚款和停止供电等措施。

针对冶炼行业的实际问题，一些冶炼厂家的基本目的是提高系统的功率因数采用安装无功补偿屏方法，通过对无功功率的调整，使用补偿电容器对其进行补偿以达到功率因数。

无功补偿屏是结构简单、经济优惠的特点，但本身存在较严重的缺陷：

1、产生的谐波电流直接叠加在电容器的基波电流上，使电容器电流有效值变大，本身的温升增高，甚至引起过热，而对电容器烧毁。

2、产生的谐波电压直接叠加在电容器的基波电压上，使电容器电压峰值大大增加，谐波还使电容器在运行中发生的局部放电不能完成，这往往是使电容器最易损坏的主要原因。

3、因为使用的电容器中有可能与系统中发生谐振将谐波放大，这也是最大的危害，不仅对电容器本身造成损坏，严重时候还可能危及电网中的各类电气设备、破环电网的正常使用。

直接采用电容补偿的方法确实可以提高功率因数，减少无功损耗的优点，但对谐波治理却没有起到更好的作用，甚至有时与电网谐振点发生谐振而产生谐波放大（导致用电量大大增加）。

在这样的基础下我公司研究开发出的消谐滤波补偿装置弥补了电容器补偿屏的不足，且结构简单、经济高效。

消谐滤波补偿装置主要是由单调滤波器对谐波的抑制，而一个单调滤波器是由电容器、电抗器和电阻器等组成。

电抗器的电感值选择与电容器在某次谐波频率上产生串联谐振，形成低阻抗电路，该谐波电流大部份流入滤波器。

对于基波频率，滤波器仍同电容器一样向系统提供功率因数补偿，这也是一个传统意义的电容器组。

综上所述，供电系统接入消谐滤波补偿装置后可以做到一举三得。

1、滤除系统高次谐波，减少由谐波所产生的一切噪声干扰和设备线路损耗，节省电能10%~30%左右。

2、同时对功率因数进行补偿，使功率因数达到理想要求0.95以上（cosφ≥0.95）

3、安装消谐滤波补偿装置不仅同时起到滤除高次谐波、提高功率因数。

而且消谐滤波装置的增加投入维护也很少，这样既节约成本又减少耗电能。

三、消谐滤波补偿装置的经济分析

以负载为500KW的铸钢车间为例，没有安装补偿屏或消谐滤波补偿装置的铸钢车间一般功率因数都在（cosφ=0.6~0.7）之间，按负载率运行90%计算。

有功功率P=500×90%=450KW

视在功率S=640KVA

每月计算设备运行22天，每天工作12小时。

每月设备的耗电能：

640×22×12=168960（度）

每月交纳的电费费用：

以现在每度电费价格为0.6元计算。

168960×0.6=101,376（元）

根据水电部和国家物价局颁布《功率因数调整电费办法》规定；按0.9为标准的功率因数调整电费标准规定功率因数为（cosφ=0.7）时月电费追加10%，功率因数为（cosφ≥0.95）时月电费下调0.75%。

实际功率因数为（cosφ=0.7）时500KW设备实际所交纳电费费用为：

101376＋101376×10%=111,513.6元。

投入滤波补偿装置后把铸造车间的功率因数补偿到0.95以上（cosφ≥0.95），同时也对系统针对性的3、5、7、11、13次等各次谐波抑制到国家标准谐波GB/T14549-93《电能质量、公用电网谐波》所规定的谐波量值以下，达到电力部门谐波管理的验收标准。

避免供电部门对因用户注入公用电网的谐波量不合格而限制用电、断电的可能，减少由限制用电、断电而避免的不必要经济损失。

安装消谐滤波补偿装置不仅滤除谐波，还能对其功率因数进行补偿在功率因数补偿上后还能节约一块电能损耗的经济费用，还是以负载为500KW的铸钢车间为例把功率因数提高到（cosφ=0.95）为标准，节约的电能损耗费用如下：

有功功率P=450KW

无功功率Q=148Kvar

视在功率S=475KVA

每月计算设备运行22天，每天工作12小时。

每月设备的耗电能：

475×22×12=125400（度）

每月交纳的电费费用：

以现在每度电费价格为0.6元计算。

125400×0.6=75,240（元）

根据水电部和国家物价局颁布《功率因数调整电费办法》规定；按0.9为标准的功率因数调整电费标准规定功率因数为（cosφ=0.7）时月电费追加10%，功率因数为（cosφ≥0.95）时月电费下调0.75%。

实际功率因数为（cosφ=0.95）时500KW设备实际所交纳电费费用为：

75240-75240×0.75%=74,675.7

所以安装了一套消谐滤波装置这500KW的铸钢车间每月能节省电费支出：

111,513.6－74,675.7=36,837.9（元）

如果500KW负载无功补偿屏一套设备售价要7万元左右，而消谐滤波装置一套设备售价只需10万元左右，正常情况下半年就可以返回设备成本。

本设备免维护强，投入运行后维护费用基本是零支出。

设备使用寿命长，正常运行下设备寿命达20年。

而使用无功补偿屏虽然能达到国家功率因数标准，但谐波造成的损耗无法降低，还是会造成一定的经济损失。

实践证明，使用消谐滤波补偿装置比使用无功补偿屏节约电能20%，减少电费费用。

四、商业区、商场、写字楼、办公楼等设施的谐波危害同样巨大，主要产生谐波的设备和装置有：

1.整流器和整流设备；

2.影视设备：

TV、TV监视器等；

3.计算机；

4.复印机：

含图象复印机；

5.打印机；

6.传真机；

7.UPS电源系统；

8.电子控制照明装置（如调光、电子荧火灯镇流器等）；

9.电梯；

10.空调（尤其是变频调速装置）；

11.焊机设备；

12.微波炉；

13.开关模式电源（SMPS）；

14.磁性铁芯设备；

计算机产生以3次、5次和7次谐波为主的谐波，而笔记本便携式计算机则产生的谐波频谱更加广泛。

复印机产生以3、5、7、9、11、13次谐波为主的谐波。

可变频驱动装置则产生以5、7次谐波最为明显。

三相供电有六个脉冲桥式可控硅整流器的UPS电源，则没有3次谐波，而5、7次谐波则最为显著。

三相供电有十二个脉冲可控硅整流器时，那么11、13次谐波则最为显著。

而单相供电的UPS电源则以3次谐波为主。

谐波的危害与影响

1造成电网电压的严重畸变（用电量大大增加）；

2电缆电线过热，绝缘老化加速，易损坏并导致线间短路和接地故障引起电气火灾和人身电击事故；

3变压器和马达的过热，损坏甚至于烧毁；

4补偿功率因数的电容器过热，易损坏，寿命短；

5供电系统损耗增加；

6系统的功率因数降低；

7断路器及漏电保护装置、接触器、热继电器等电气保护元件过热，失灵，误动作，接地保护装置功能失常；

8中性线过负荷、发热，甚至于烧毁、着火；

9过零噪音；

10集肤效应显著；

11计算机死机，锁住；

12浪费系统容量，降低保护功能；

13通讯与影像设备失误；

14给供电系统带来难题；

15对多租户大型商用办公大楼配电系统的谐波治理问题纠纷越来越突出。

（其原因有二：

其一，办公设备效率，节能以及调速驱动（ASD），高效荧光照明和电子设备等，引起系统的谐波畸变水平不断升高；其二，由于这种系统的多用户特点和谐波源的小功率，分散性特征带来责任区分上的困难，因此，当谐波问题发生时，容易引起供用电各方之间的纠纷）；

16医疗设备误动作，带来医疗事故，甚至于电源系统遭到破坏；

17机场难以正常运行，国防设施受到影响；

18金融、证券交易中心，电源误动作，失灵，停电，将会造成重大经济损失；

19地铁、轻轨、电气机车、停电、停运造成交通事故。

从国外的电能质量分析比如英国电源质量问题出现的频率统计：

方面谐波对地泄漏电流电压扰动

发生频率高中低高中低高中低

商业的71%20%9%20%31%49%51%27%22%

公共事业的60%20%20%31%31%39%31%49%20%

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

高：

一年造成的停机事故在12次以上；

中：

一年造成的停机事故在2-12次之间；

低：

一年造成的停机事故在1次以下；

从表中可以看出谐波造成停机事故频率很高，在所有三个方面每年事故的报告在12次以上的均在60%以上，而每年至少1次事故的报告为80%以上。

 随着中国工业与经济的不断发展，用电量也不断增长，谐波的影响和危害也日益严重。

所以我们必须对其加以处理，以便降低电力损耗，提高供电质量，从而达到节约成本、提高用电安全的目的。

谐波源

  谐波产生的原因多种多样。

比较常见的有两类：

第一类是由于非线性负荷而产生谐波，例如可控硅整流器、开关电源、气体放电类电光源等，这一类负荷产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。

例如三相六脉波整流器所产生的主要是5次和7次谐波，而三相12脉波整流器所产生的主要是11次和13次谐波。

第二类是由于逆变负荷而产生谐波，例如中频炉、变频器，这一类负荷不仅产生整数次谐波，还产生频率为逆变频率2倍的分数谐波。

例如：

使用三相六脉波整流器而工作频率为820Hz的中频炉则不仅产生5次和7次谐波，还产生频率为1640Hz的分数谐波。

谐波在电网诞生的同时就是存在的，因为发电机和变压器都会产生少量的谐波。

但是由于产生大量谐波的用电设备不断增加，并且电网中大量使用的并联电容器所造成的谐波放大，使得谐波的影响越来越严重，从而逐渐引起人们的重视。

谐波的危害

供电系统中的谐波是造成电网污染的主要原因。

其污染范围包括电力系统本身和广大用户。

特别是对电力设备的危害非常严重，主要表现为：

过负荷、发热和过电压，干扰及破坏电子、通讯和保护控制等设备的性能或正常工作。

1对电动机和发电机

产生附加功率损耗和发热及噪声。

对异步电动机，转子过热是电压畸变带来的主要问题，谐波损失也决定于电动机特性，电动机的漏抗随谐波频率呈线性增加。

由谐波产生的磁场与基波磁场相互作用而产生脉动转距，这些脉动转距造成更大的可闻噪声。

可闻噪声是由于时间谐波频率不同而产生，但听不到的高频谐波会对可闻噪声起促进作用。

2对无功补偿电容器

谐波使系统和电容器引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏。

许多企业已经发生由于配电系统中谐波较大，因而造成无功补偿的电容器大批损坏和无法投入运行的现象。

3对供电网和导线

增加电网和导线损耗，当发生谐振和放大现象时损耗更加严重。

谐波电流在导线上的发热比均方根电流造成的预期发热要高。

三相四线的配电网向单相负荷供电时，在中性线上会造成不正常的大电流（3次谐波电流），使中性线过负荷。

4对变压器

负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低了变压器带负荷能力。

5对熔断器

熔断器是由于发热而熔断的，因其本质上是均方根值过电流器件。

一般使用的熔断器由几个带状熔片组成，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感。

6对断路器

电流波形的畸变明显地影响断路器的断路容量，当负荷电流畸变时，在过零点时可能造成较高的di/dt ，比电流为正弦时开断将更加困难，而且由于开断时间延长而贻误故障切除时间。

7对精密医疗和电子设备

谐波畸变的结果产生多个过零点问题，使电子线路混乱，影响精密医疗设备运行。

在精密设备中许多电子系统采用波形的峰值以维持滤波电容器的全充电，谐波畸变可提高或削平波峰值，使设备运行遭到破坏。

另外电压陷波也会破坏精密设备和电子设备运行。

8对继电保护和自动控制系统产生干扰和造成误动或拒动

受电压和电流峰值或零值控制的继电器会受到谐波的影响。

在有谐波存在时，机电型继电器的时间延时特性会改变，地电流继电器不能区分零序电流和3次谐波电流，从而导致误跳闸。

9通讯干扰

谐波通过感性耦合干扰电话线路。

10对照明：

电压畸变对白炽灯寿命有一定影响，如运行电压的均方根值由于谐波畸变而高于额定值时，灯丝温度升高而降低灯泡寿命。

11对其他用户影响

产生谐波负荷的用户，从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率。

这样受谐波影响的用户既从系统吸收基波功率又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源用户少付电费而受害的用户反要多付电费。

总之谐波对电气设备、通讯设备及线路都会产生有害的影响，应加速治理。

针对此ABB推出了PQF有源滤波器解决方案，此方案具有前所未有的能力去滤除电网中的谐波。

PQF是以一种可控的动态方式滤除出现在供电系统中的谐波，它不受电网运行结构改变的影响，如并联电源供电、电网供电和备用发电机之间切换供电等不同供电状况下所引起的系统阻抗变化的影响。

PQF实时监测线路电流，并把被监测到的谐波转化为数字信号处理器（DSP）中的数字信号。

同时DSP数字信号处理器产生一系列宽频脉冲调制信号（PWM）,驱使IGBT功率模块通过线路电抗器向电网输出相位正好与电网谐波电流相反而大小相同的电流，两种谐波电流正好相互抵消，从而达到滤除谐波净化电网电流的目的。

PQF具备通讯功能，可与用户现有的控制系统通讯，其采用ModbusRTU技术，让用户通过RS232-RS485的转换器（可选配件）轻松实现Modbus通讯，远距离监测和控制。

ABB具备各种工程领域的经验，具备和不同类型负载打交道的丰富经验，因此能够根据不同的工程需要设计最优化的PQF方案，从而实现较好的滤波效果。

例如PQF在苏州科技文化艺术中心当中的运用。

由于该中心使用了大量的调光设备，气体放电类电光源，电子整流器等，所以产生了一系列的谐波，造成电缆发热等一系列问题。

具体测试如图1、2是大剧院未使用PQF的谐波电流