金属线缆加工中的谐波及其治理
北极星电力网技术频道
作者:佚名
2008/1/22 18:28:34
金属线缆加工中的谐波及其治理
徐槐黄传虎(广卅南普电器有限公司广卅510051)
陈小骏林俊生(南普电力滤波工程技术中心广卅510051)
摘要：本文介绍绞线、拉丝等金属线缆加工工艺所使用的直流、变频驱动设备产生的谐波及其对用户的危害，以及治理措施。
关键词：金属线缆加工；直流、变频驱动；谐波与治理
ThePowerHarmonicAndtheFilterTechnology
InTheManufacturesMetalWiresEnterprise
前言
金属线缆加工行业在国家的建设和发展中起着十分重要的作用，随着科技的不断进步，大量的数控整流变频设备在这一行业中得到了广泛的应用。新设备的推广，使金属线缆加工产品品种、产量和质量得到大幅提升；但大量的整流变频设备同时也对用户电网电能质量产生严重干扰，具体表现为电力谐波分量高、功率因数低、供用电设备发热损耗大、电容无功补偿设备故障率高等问题。严重影响用户供用电设备的安全、经济运行，使得产品的生产成本提高、质量下降，影响了行业的正常发展。
因此，研究绞线、拉丝生产工艺所使用的直流、变频驱动设备产生的谐波，及其有效治理措施，便成了金属线缆加工行业提高生产效益的新途径。
1、直流及变频设备产生的谐波
绞线、拉丝等金属线缆加工工艺所使用的直流、变频驱动设备，其核心是使用了现代大功率电力电子整流换流控制技术。出于降低设备成本和运行维护成本的需要，一般实际使用的直流、变频驱动设备的功率部件都为六脉冲(六相)整流方式。
一个典型的六脉冲整流电路见图1。理论上，它的频谱包含的谐波次数为n，而且n=6m±1(m为整数，且m≥1)，各次谐波电流的幅值为：In=I1/n(n=5,7,11,13,……)。因此，典型的六脉冲整流电路一般含有5、7、11、13等等次数的谐波电流In。
图2为基波(50Hz)叠加一个5次谐波分量(250Hz)的示例。
图1.典型的六脉冲整流电路原理图图2.畸变波形=基波 谐波
以下为对某拉丝机的实测结果。注：总等值谐波电流ITDD＝√∑In(n=5,7,11，13)；
图3.某拉丝机交流电源侧实测电流波形频谱图。
由实测数据可知，被测整流换流设备产生的主要谐波电流为I5=19.7I1；I7=13.3I1；I5=8.3I1；I5=6.4I1；总谐波电流ITDD＞25。在标准6脉冲整流换流模型中，非特征次谐波的幅度应为零；但由于实际电路中还存在其他负荷，同时实际的6脉冲整流换流设置由于元件参数、及触发脉冲不对称及电路阻尼等因素影响，使非特征次谐波仍会出现，但正常情况下其幅值一般较小。
同时，由表1可知，被测拉丝机的自然功率因数只有0.5。
2、谐波的主要影响
钢绞线生产企业中的绞线、拉丝工艺使用大量的整流变频设备，其在工作过程中会产生以5、7、11、13次为特征频率的谐波电流分量，谐波成份正常时会高达总电流的25左右；当电网存在谐振放大，其所占比例会更高。这些谐波电流在电网中流动产生谐波电压，在产生谐波功率，增加损耗、降低设备利用率的同时，过高的谐波分量，会干扰设备和生产线的正常运行。严重时，谐振放大会引起电压波动，干扰设备和生产线的稳定运行，影响产品质量；甚至因过压过流使设备击穿或烧毁，引发生产事故，增加生产成本。
3、抑制谐波的主要方法
降低用电系统谐波干扰的主要方法包括：
3.1设备改造：例如增加整流换流装置相数；
3.2供用电方式改造：如改变入网电压等级；利用谐波源的互补性组合使用等。
3.3加装滤波设备：无源或有源谐波抑制装置。
根据负荷谐波特性及工艺技术条件，一般可考虑采取3.1至3.3三种谐波抑制方式。
其中加装滤波设备又可分为：
1)滤波吸收方式
其原理是利用滤波器对流经某一系统的某些次数的谐波分量形成低阻抗，吸收这些谐波分量以减少其对系统的影响。
本方式为常用滤波方式，适用于存在各次谐波分量的系统，设备造价较低，结构简便可靠，实用性强，运行操作方便，可根据负荷变化实现分级自动投切，运行损耗小；需要时，可根据实际考虑兼作无功补偿用途。
本方式对谐波电压、电流都能有效吸收，其滤波效率可根据工程需要而灵活设计。
采用本方式对于调谐频率的谐波分量(尤其装有补偿电容时)易产生谐振放大，因此在工程设计和调试时需要特别的经验和技术。
2)有源滤波方式
为新型电力电子滤波装置，其原理是用有源滤波器产生一反向分量去抵悄系统存在的谐波分量。本方式适用于存在各次谐波分量的系统，滤波效率高，适用性强，可兼有无功补偿功能，不会产生谐振放大问题，运行损耗小，但设备造价较高，结构较复杂，运行维护技术要求较高。
4、工程实例
根据绞线、拉丝工艺设备特点，设计使用无源滤波吸收方式，具体目标为：
l减少电力谐波：消除谐波损耗和谐波干扰，提高电能质量；
l提高功率因数：增加配电设备的供电容量，提高设备利用率。
l减少电能损耗：节能降耗，减少变压器、电容器组、开关、电缆等设备的发热，延长设备使用寿命，降低生产成本。
保护生产设备：解决普通电容器组因谐波存在产生谐振放大而经常损坏或根本无法运行等问题，避免生产用设备或元件因过电压而经常击穿或过热烧毁。
l提高产品质量：避免谐波对控制电路的干扰，使数字设备、伺服电机运行的更加准确；电机运行的更加平稳，保证正常生产秩序，提高产品质量。
以下为某生产线谐波抑制实例。
图4.整流变频负荷变压器配置的滤波器组示意图
附图为一台带整流变频负荷变压器配置的滤波器组简图。其中包括滤除低次谐波分量的单调谐支路，及滤除高频谐波分量的带通支路。设计采用由电容器和电抗器组合成各调谐支路，其中电容器分成数组，投切方式为自动监测控制接触器投切电容器组。滤波器组中的电容器、电抗器再加上电阻器适当组合成各种单调、高通谐波滤波器支路，对5次、7次、11次和13次及以上谐波分量吸收过滤。
某拉丝工艺生产线产生的谐波及其工程治理效果如下：
注：总等值谐波电流ITDD＝√∑In(n=5,7,11，13)；
图5.滤波/补偿装置投入前后电流波形比较图
根据对滤波/补偿装置投入前、后的现场测试数据，对案例工程滤波/补偿投运后的效果总结如下：
4.1、使电压、电流波形得到极大改善根据国标《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93要求。0.4kV级电网的电压波形总畸变率THDu≤5。由于谐波电压是由谐波电流流经系统等值阻抗产生的，要限制谐波电压，就必须控制电力用户各谐波源注入电网的各次谐波电流，即应采取有效措施抑制流经系统的谐波电流。实际上，滤波/补偿装置投入前，某拉丝所在供电网络的电压总畸变率THDu为4.82，接近国标限值；滤波/补偿装置投入后对应供电网络的总畸变率THDu为2.23。说明由于滤波/补偿装置对谐波电流的有效吸收，使电压波形总畸变率得到良好控制，极大改善了电压、电流波形。
电压、电流谐波成份的大幅下降，使电气设备机械震动大为减小，电缆及导线集肤效应、变压器铁芯磁感应环流减少，大大降低电气设备发热损耗；延缓绝缘老化，增加设备寿命。此外，谐波分量降低会直接提高供用电设备利用效率，减少对自动控制和保护装置的干扰和影响，避免误触发或测量误差等，保证生产秩序和提高产品质量。
4.2、改善负荷功率因数，提高供用电设备利用率
滤波/补偿装置投入前，拉丝负荷功率因数为0.5，属严重偏低。滤波/补偿装置投入后，在抑制电压、电流谐波成份的同时，实现了对供用电设备无功需求的有效补偿，使负荷功率因数得到显著提高，实测值为0.96。负荷功率因数的大幅提高，大大增加了供用电设备利用率。使电气设备发热损耗大大降低，绝缘老化延缓，设备寿命增加。
4.3、有效抑制普通电容器组与供用电系统之间对谐波的谐振放大。由于使用了滤波/补偿装置，一方面大幅降低谐波分量，同时对基波实现无功补偿；另一方面使用偏调谐方式使滤波/补偿回路对系统内存在的各次谐波都呈现感性，从而避免出现对谐波分量产生谐振放大作用，保证了供用电设备安全和生产的稳定运行。
5、结语
上述工程案例说明，应用滤波/补偿装置有效的改良了绞线、拉丝工艺中主要设备的用电情况，减少了谐波影响，提高了功率因数。
该工程实施近一年的结果显示：滤波/补偿装置显著改善了企业用电的各项电能指标，降低了生产成本、提高了产品的质量，增强了企业竞争力。
作者简介：1、徐槐1962生，工学硕士，高级工程师，长期从事供用电工程技术应用及研究工作。
2、陈小骏1963生，工学学士，工程师，长期从事供用电工程技术应用及研究工作。
来源：中国电力谐波监测及滤波工程技术网
