钢铁厂电力系统谐波产生及治理研究

李贺昌，程宝芳，蒋海牙

引言

“谐波”一词起源于声学，关于谐波的数学分析在18、19世纪已经奠定了基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍然被广泛应用。电力系统谐波问题早在20世纪20年代便引起了人们的注意。到了20世纪50年代，世界各国都对电网谐波问题予以充分的关注。“谐波、电磁干扰、功率因数”是目前国际上公认的电网三大公害，其中谐波公害排首位。因此研究降低电力系统谐波的方法是十分必要的。

1　谐波的定义及国家标准及危害

国际电工标准(IEC555-2，1982)中关于谐波的定义是：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量”。对于我国使用50 Hz电源来说基波为50 Hz，5次谐波为250 Hz，以此类推。

根据国标《电能质量－公用电网谐波》（GB/T14549－93）的规定，供电系统允许电压畸变率如表1所示。

谐波产生的根本原因是用电负荷的非线性特性导致的，也就是说用电负荷的电压与电流不成线性关系造成的波形呈现不规则的非正弦特征，通常我们就会发现在正弦波形出现大量毛刺。这种电流波形是由基波和与高次谐波组成，进而导致电网电压严重失真。

表1　公用电网谐波电压限值

目前公认的谐波源主要有三大类：

（1）电子开关型：各种以电力电子元件为基础的开关电源设备，主要为变频器以及大容量的电力晶闸管和可控开关设备等。

（2）铁磁饱和型：各种铁磁饱和特性呈现非线性特征的铁芯设备，如变压器、电抗器等。

（3）电弧型：冶炼电弧炉在熔化期间，由于其三相短路加热特征导致电流不规则的波动。如LF炉等设备通过石墨电极与钢液间产生电弧作为热源。

谐波产生的危害主要有：危害设备稳定运行如电容器对高次谐波呈现低阻抗特性，谐波电流导致电容器长期工作在过载情况。谐波会使电动机的损耗增多、温升加剧。谐波会引发保护装置受到干扰而误动或拒动，造成可靠性降低。谐波会导致测量和计量设备产生误差。精密、精细加工工艺流程会因谐波问题而无法正常生产。

2　钢铁厂电力系统谐波及治理情况

目前治理谐波的方法主要有两种：（1）采用无源滤波器PPF(Passive Power Filter）或称为LC滤波器。（2）采用有源电力滤波器APF(Active Power Filter)。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，可克服LC滤波器等传统谐波抑制方法缺点。其缺点是造价太高，受硬件限制，在大容量场合无法使用，有源滤波容量单套不超过100 kVA，目前最高应用电网电压不超过690 V。以下就某钢铁热轧生产线的谐波治理情况进行分析。

某110 kV变电站所带热轧生产线，35 kV系统主要为主传动供电，其主传动采用交直交变频调速系统，其中含有大量的变频装置及大量大功率的功率元件，在实际生产过程中多次发生主传动元件（IGCT）烧毁、辅传动在制动回馈是整流单元报警等一系列故障，影响了正常生产。供电系统运行方式如图1所示，主要对1#主变和3#主变中压35 kV和低压10 kV侧进行谐波测试。

图1　供电运行方式测试点示意图

测试数据2～25次谐波含量均满足国家标准，其中35 kVⅠ段1.75%，35 kVⅢ段为1.93%，国家标准为3%（国家标准仅要求测量25次以内的谐波），但是35 kVⅠ段高次谐波35、37、47、49次谐波含量偏高，其中47次谐波超标（额定2.4%，实际2.402%）。具体如图2所示。

3　钢铁厂电力系统谐波治理情况

图2　某35 kV变电站谐波电压情况

根据35 kV系统高次谐波超标的情况，为了降低35 kV高次谐波含量使总谐波含量降低至国标允许范围内，最终确定在35 kV系统加装一套高次谐波吸收装置同时考虑投入谐波吸收装置后避免无功返送的情况，确定在35 kV系统投入固定式补偿电容器（7.2 Mvar）以消除高次谐波、同时并联5 Mvar的并联电抗器，避免35 kV系统无功返送。在投入滤波装置后该生产线的运行情况较之前明显好转，功率元件烧毁现象明显减少，高次谐波含量明显降低，电压波形显著改善。谐波治理方案主接线图如图3所示。电压波形改善前后如图4、5所示。

图3　谐波治理方案一次系统图

图4　改善前35 kV母线电压波形

图5　改善后35 kV母线电压波形

4　结论

随着电力电子技术不断发展，大量整流、逆变及大功率元件的应用，电力系统的电能质量普遍反映出越来越不能满足用电设备的正常生产的需要。为确保电力系统电能质量达到国家标准，确保各类电力设备设施稳定运行，需要系统地考虑谐波的治理问题。

通过上述分析，对于轧线上整流逆变装置偏多的情况可能会产生高次谐波，而且高次谐波超标同样会影响用电设备的稳定运行水平，通过增设高通滤波器，能够减少和抑制高次谐波的危害，提高工艺用电设备的稳定运行水平。建议从以下方面加强电力系统的谐波管理，并进行治理：

（1）重视高次谐波的监测和治理。定期对电力系统高次谐波进行监测和控制，一旦存在高次谐波超标的情况应视情况进行补偿。

（2）做好对用户新建或增容谐波源等进行合理的谐波检测工作，建立用户档案，对超出谐波标准的用户，及早采取限制措施，以减少对电网及对自身用电的污染。

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