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隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大量的直流設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備及其它非線性負(fù)荷被廣泛應(yīng)用，對(duì)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量要求越來越高。高次諧波的產(chǎn)生，增加了電能諧波損耗，降低了系統(tǒng)功率因數(shù)，不僅影響電網(wǎng)的質(zhì)量，而且還很大程度的影響電網(wǎng)的可靠性，嚴(yán)重時(shí)造成繼電保護(hù)誤動(dòng)，燒毀微機(jī)保護(hù)線路板、數(shù)字電能表及其它微機(jī)裝置。
1、故障現(xiàn)象
某電纜廠400V供電系統(tǒng)由兩臺(tái)歐式箱式變電站組成，兩臺(tái)箱變的接線方案一致，但其箱變出線所帶負(fù)荷不一樣。兩臺(tái)歐式箱式變電站投運(yùn)不久，1號(hào)箱變就發(fā)生了無功補(bǔ)償柜中元器件損壞的情況。損壞的元器件主要是電容接觸器和熔斷器，其中電容接觸器燒毀嚴(yán)重。
起初分析認(rèn)為可能是電容接觸器的樁頭接線松動(dòng)導(dǎo)致接觸電阻增加，樁頭接線發(fā)熱起火燒壞電容器接觸器，進(jìn)而引起接觸器上側(cè)的熔斷器燒毀，產(chǎn)生的火苗又損壞了熔斷器。隨后該公司即更換了燒壞的元器件，同時(shí)對(duì)所有的接線樁頭進(jìn)行了檢查，無功補(bǔ)償柜改進(jìn)后繼續(xù)投入運(yùn)行。但是更改后的無功補(bǔ)償柜使用不到一個(gè)月，再次出現(xiàn)了元器件損壞的情況。元器件損壞的位置、現(xiàn)象基本和上次的情況一樣。
2、原因分析
兩次無功補(bǔ)償柜的故障都發(fā)生在1號(hào)箱變而非2號(hào)箱變，對(duì)比分析1、2號(hào)箱式變電站的負(fù)荷可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)箱變的負(fù)載基本上為異步電動(dòng)機(jī)和辦公照明負(fù)載，相對(duì)負(fù)載較小；而1號(hào)箱變所帶負(fù)載中除了異步電動(dòng)機(jī)還有三臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，其功率分別為185kw、155kw、30kw。此外，還有大量通過可控硅控溫的加熱設(shè)備，相對(duì)2號(hào)箱變負(fù)載較大。
在兩次無功補(bǔ)償柜發(fā)生故障時(shí)，該廠的交聯(lián)電纜生產(chǎn)線都在運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是說直流電機(jī)和相當(dāng)一部分的加熱設(shè)備都掛在1號(hào)箱變的低壓母線上。該廠的加熱回路采用了三相半控橋式整流電路，同時(shí)用交流電源對(duì)直流電機(jī)供電少不了要有整流裝置。由于整流裝置輸出波形的非正弦性，不同相數(shù)的整流電路會(huì)產(chǎn)生不同特征的諧波電流。如三相橋式的6相脈動(dòng)整流電路產(chǎn)生的諧波電流主要為6k±1次(5、7、11、13次，等等)見表1。
表1 6相脈動(dòng)整流裝置電流諧波理論數(shù)據(jù)
因此，交聯(lián)電纜生產(chǎn)線在生產(chǎn)時(shí)可能對(duì)1號(hào)箱變400V系統(tǒng)產(chǎn)生了諧波。
根據(jù)對(duì)負(fù)荷性質(zhì)分析和理論公式的推算，可以確定1號(hào)箱變400V系統(tǒng)中存在6k±1次為主的諧波電流。為了證實(shí)和明確1號(hào)箱變400V系統(tǒng)的諧波情況和參數(shù)，對(duì)1號(hào)、2號(hào)箱變進(jìn)行了多次的對(duì)比測(cè)量。2號(hào)箱變總線電流波形和頻譜圖分析見圖1，1 號(hào)箱變總線電流波形和頻譜圖分析見圖2。
對(duì)比分析圖1和圖2，2號(hào)箱變總線電流波形為規(guī)則正弦波，頻譜圖分析也表明其電流基本只含基波50Hz電流；1號(hào)箱變總線電流波形為非正弦波，頻譜圖分析可以看出含有3、5、7、11次等諧波。電流總畸變率THDi為52.32%，功率因數(shù)0.8，系統(tǒng)阻抗R = 0.1W L = 0.1mH，系統(tǒng)短路容量10MVA。
1號(hào)箱變的無功補(bǔ)償柜之所以數(shù)次出現(xiàn)電容接觸器和熔斷器損壞的情況，其原因就是交聯(lián)電纜生產(chǎn)線產(chǎn)生的諧波電流被無功補(bǔ)償柜的電容器放大產(chǎn)生了過電流，致使接觸器和熔斷器過熱損壞。
3 、諧波治理
諧波電流不僅影響無功補(bǔ)償柜的正常使用，致使無功功率電費(fèi)支出增加，諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負(fù)載和其它用戶帶來了極大影響。諧波已與電磁干擾、功率因數(shù)降低并列為電力系統(tǒng)的三大公害。所以了解諧波產(chǎn)生的原理、研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對(duì)改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。諧波測(cè)量是諧波問題中的一個(gè)重要分支，對(duì)抑制諧波、解決諧波產(chǎn)生的問題有著重要的指導(dǎo)作用。因此對(duì)諧波的測(cè)量和分析是電力系統(tǒng)分析和控制中的一項(xiàng)重要工作，是繼電保護(hù)、故障測(cè)量等工作開展的重要前提。
在電力系統(tǒng)抑制和治理諧波的主要措施有：提高供電電壓等級(jí)；加大系統(tǒng)短路容量；增加變流裝置的脈動(dòng)數(shù)；改善系統(tǒng)的運(yùn)行方式，設(shè)置交流濾波器等都能減小系統(tǒng)中的諧波成分。
對(duì)于該電纜廠，由于供電系統(tǒng)的方案已定型，我們可以考慮設(shè)置有源濾波器。設(shè)置APF的好處有：改善系統(tǒng)用電環(huán)境，提高用電質(zhì)量；提高系統(tǒng)功率因數(shù)，減少無功發(fā)款，帶來經(jīng)濟(jì)效益；改善三相系統(tǒng)負(fù)載電流的平衡，降低N線電流，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
3.1 有源濾波器的工作原理：
ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯(lián)方式接入電網(wǎng)，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術(shù)，從變流器中產(chǎn)生一個(gè)和當(dāng)前諧波分量和無功分量對(duì)應(yīng)的反向分量并實(shí)時(shí)注入電力系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)諧波治理和無功補(bǔ)償。
原理如下圖：
圖3 工作原理
ANAPF系列有源電力濾波裝置主要技術(shù)特點(diǎn)：DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有極快的響應(yīng)時(shí)間；先進(jìn)的主電路拓?fù)浜涂刂扑惴ǎ雀摺⑦\(yùn)行更穩(wěn)定；一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功；模塊化設(shè)計(jì)，便于生產(chǎn)調(diào)試；便利的并聯(lián)設(shè)計(jì)，方便擴(kuò)容；具有完善的橋臂過流、保護(hù)功能；使用方便，易于操作和維護(hù)。
3.2 ANAPF技術(shù)參數(shù)： 
4 、治理效果
以下是補(bǔ)償前后單相功率、5次諧波電流及7資金諧波電流對(duì)比圖：
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治理前單相功率波形圖 |
治理后單相功率波形圖 |
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治理前5次諧波電流波形圖 |
治理后5次諧波電流波形圖 |
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治理前7次諧波電流波形圖 |
治理后7次諧波電流波形圖 |
APF運(yùn)行過程中，對(duì)以直流電機(jī)和三相橋式的6相脈動(dòng)整流裝置產(chǎn)生的諧波電流取得了很好的抑制效果，特別是消除了諧波含量較高的5、7次諧波電流。現(xiàn)在，設(shè)備運(yùn)行良好，諧波危害得以有效控制。
參考文獻(xiàn)：
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