APF與節(jié)能減排降耗分析

APF與節(jié)能減排分析深圳市英納仕電氣有限公司應用與工程部2011-12-161.諧波在理想的情況下，優(yōu)質的電力供應應該提供具有正弦波形的電壓，但在實際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率(在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數(shù)倍的正弦分量又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設備(又稱為非線性負荷)供電的結果。這些非線性負荷在工作中時向電源反饋高次諧波，導致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質量變壞。2.諧波源在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。在發(fā)電環(huán)節(jié)中對發(fā)電機的接線采取一些措施后，可以認為發(fā)電機供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。諧波的產(chǎn)生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設備。具有鐵磁飽和特性的鐵芯設備如：變壓器、電抗器等；以具有強烈非線性特性的電弧現(xiàn)象的設備如：氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等；以電力電子元件為基礎的電源的設備如：各種電力交流設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調速和調壓設備，大容量的電力品閘管可控開關設備等，它們大量的用于化工、電氣化鐵道、冶金、礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電器和辦公類設備中。諧波危害3.1增加了發(fā)、輸、供和用電設備的附加損耗，使設備過熱，降低設備的效率和利用率。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻率電流過導體時，因集膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗，使導體的發(fā)熱嚴重。（1） 對旋轉電機的影響諧波對旋轉電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁帶、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。諧波電流產(chǎn)生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大。但諧波會產(chǎn)生顯著的脈沖轉矩，可能出現(xiàn)電機轉軸震動的問題。（2） 對變壓器的影響諧波電流使變壓器的損耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角連接的變壓器會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，而該側電網(wǎng)中分布電容較大或裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。（3） 對輸電線路的影響由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應電網(wǎng)的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流增大，導致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容。它們與產(chǎn)生諧波的設備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時，在一定的參數(shù)配合條件下，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下，并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。當注入電網(wǎng)的諧波的上頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，會激勵電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼點保護裝置出現(xiàn)誤動，以全損壞設備，與此同時還可以產(chǎn)生相當大的諧波網(wǎng)損。對于電力電纜線路，由于電纜的對地電容比架空線路約大10-20倍，而感抗約架空線路的1/2-1/3,因此更容易激勵出較大的諧波振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。（4） 對電力電容器的影響隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分諧波分量的頻率時，就會產(chǎn)生諧波放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行，甚至損壞。3.2影響繼電和自動裝置工作的可靠性諧波對電力系統(tǒng)中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這負序（基波）量整定的保護裝置整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾（如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負序源）則會引起發(fā)電機負序電流保護誤動（若誤動引起跳閘則后果嚴重），變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓保護誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全進行。3.3使測量和計量儀器的指示和計量不準確由于電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷用戶處，電能表記錄的是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電子式電能表更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。3.4干擾通信系統(tǒng)的工作電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。另外高壓直流域（HVDC）換流站換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲（3-10KHZ）會干擾電力載波通信的正常工作，并利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失損，影響電網(wǎng)運行的安全。3.5對用電設備的影響諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生變化，并使機內的元件出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數(shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對于采用品閘管的變速

裝置，諧波可能使品閘管誤動作，或使控制回路誤觸發(fā)。4、諧波在配電系統(tǒng)中負載和計量的影響以及采用APF治理后的變化4.1配電簡圖：

4.2、回路1治理前計量和設備的影響。4.2.1、無APF：ABCD計量由于諧波照成變壓器的鐵損和銅損較大，所以計量會增加而且，大量的諧波消耗在變壓器重所以諧波對計量精度的影響不大。但諧波照成變壓器的鐵損和銅損較大，所以計量會增加。諧波越大增加越大。由于諧波源的對計量精度影響較大，而且由負載發(fā)送的部分諧波功率往變壓器，所以計量會有所減少，但線損的增加，是的耗電量增加，所以計量變化不明顯。具體情況受諧波負載所占整個負載的比例來定，諧波占比例越小影響越小。此次計量非線性支路，所有諧波功率由此發(fā)出，反送到電網(wǎng)，造成計量不準，計量下降。非線性支路，由于不但介紹基波的功率還要接收非線性支路發(fā)送過來的諧波功率，故計量會增加。具體此支路與諧波支路的距離以及負荷大小不同而不同，離諧波源越遠，負荷越大影響越小。電容補償柜對此處電容補償有影響較小，諧波越大對電容補償柜損還越大。對此處電容補償影響一般，諧波越大對電容補償柜損還越大。對此處電容補償影響最大。對此處電容補償影響較小。設備變壓器由于諧波引起發(fā)熱，絕緣降低，變壓器壽命減短。無影響由于有諧波電壓的存在，會影響負載的縮短其壽命。ABCD計量由于諧波的消除，變壓器的鐵損銅損下降，計量下降明顯。計量變化不明顯在C點投入APF諧波消除后不再往電網(wǎng)發(fā)送諧波功率，而且增加了APF的耗能，計量上升。在B點投入APF和投入前一樣在C點安裝APF由于不再接收諧波功率，計量更準確，計量下降。在B點投入APF無變化電容補償柜補償柜運行好轉。改善在C投入APF明顯改善。在B點安裝APF無改善在C投入APF有改善。在B點安裝APF無改善設備改善明顯無影響在C投入APF有改善。在B點安裝APF無改善4.2.3APF投入前后比較ABCD計量變化B點投入APF計量減少變化不大無變化無變化C點投入APF計量減少變化不大增加減少電容補償柜APF投入前變差變差嚴重變差變差B點投入APF改善改善無改善無改善C點投入APF改善改善明顯改善改善設備運行APF投入前變差無變化變差B點投入APF明顯改善無變化無改善C點投入APF明顯改善無變化改善4.2.4、總結對于回路1的情況通過對比，將APF安裝在非線性支路上治理對電網(wǎng)設備的保護等效果較好。如果在變壓器二次側統(tǒng)一治理對線性負載起不到保護作用，但工廠配電沒能做到線性負載和非線性負載分開的情況下只能在變壓器二次側統(tǒng)一治理。APF的投資回報不能單純從節(jié)約多少電費來計算回報，單純從節(jié)約電費的回報率不高甚至沒有，而且如果是支路計費的話對諧波支路會出現(xiàn)不降反升的情況。APF的投資回報應從這個配電系統(tǒng)的節(jié)能降耗來計算投資回報，即高壓側的計量以及設備的維修費和使用壽命來計算。降耗是主要的回報，即降低設備的損耗這塊。由于整個配電系統(tǒng)的電器維修維護費用不好統(tǒng)計，但是配電系統(tǒng)的維修維護費用是容易統(tǒng)計出來的，即只計算電容補償柜的維修費用，變壓器的維護費用和壽命。如有可能的話可以采用，安裝APF順帶承包配電的設備維修這塊一起簽訂維修合同的方式推廣，通過在APF安裝前幾年的年維修費用，計算出平均年維修費，和回報周期，加上節(jié)能的百分比。何其簽訂每年多少維修費的維修合同方式，回報率較高，不過此方式存在一個原因設備如果在損壞臨界狀態(tài)的風險，而且需要一定數(shù)量的工程設備服務人員。但隊伍培養(yǎng)出來了也可以成立一個專為企業(yè)做維修的隊伍來承包企業(yè)設備維修來拓展公司業(yè)務。4.3、 回路2治理前計量和設備的影響。作為中頻爐和直流電弧爐均有整流回來而且，電流較大，諧波電流也大，加入APF后能明顯改善變壓器的運行狀況和對電容補償柜和變壓器起到很好的保護作用。由于消除諧波后變壓器的鐵損銅損會得到很好的改善，電能的計量在高壓側下降明顯，但低壓側變化不大，可能會出現(xiàn)略有上升的情況。設備的運行這塊由于整流后逆變后（或直接直流供給煉鋼爐）所以諧波治理前后對冶煉爐的運行影響不明顯。變壓器和電容補償柜的運行都會得到很好的改善延遲器使用壽命。降低維護成本。4.4、 回路3治理前計量和設備的影響。由于電弧的不穩(wěn)定性照成諧波已經(jīng)功率因素的變化較大，對補償電容的損害很大，加熱APF后能能很好的對補償柜和變壓器起到保護作用，而且能穩(wěn)定電弧，減少電極的消耗提高產(chǎn)品質量，以及縮短冶煉時間。變壓器和電容補償柜的運行都會得到很好的改善延遲器使用壽命。降低維護成本。電能的計量在單位時間高壓側會有所下降，但低壓側變化不大，可能會出現(xiàn)略有上