摘要：目前玉溪矿业有限公司选厂采2#胶带输送机的驱动系统为四套ABB公司生产的DCS800系列全数字晶闸管整流装置进行调速驱动，使用过程中会产生大量的谐波，严重威胁到低压供配电系统及其相关电气元件的安全可靠运行，故必须对DCS800整流装置运行时所产生的谐波进行有效治理。
关键词：谐波；治理；危害；有源滤波器
1、谐波的定义
谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波频率是基波频率的整倍数，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。
根据谐波频率的不同，可以分为奇次谐波与偶次谐波，其中奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。
2、谐波的产生
由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。电网谐波主要来自于以下三个方面：
一是发电源质量不高产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波。
二是输配电系统产生谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。
三是用电设备产生谐波。（1）晶闸管整流设备：晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收缺角的正弦波，从而给电网留下了部分缺角的正弦波，其中就含有大量的谐波。（2）变频装置：这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。（3）电弧炉、电石炉：由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。（4）气体放电类电光源：荧光灯、高压汞（钠）灯等属于气体放电类电光源，这类电光源含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。（5）家用电器：电视机、计算机、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。
3、谐波的危害
近些年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波的危害十分严重。主要表现在以下八个方面：
一是加大企业的电力运行成本。由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本，会增加电费支出。
二是降低了供电的可靠性。谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，加速绝缘老化，缩短变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性。
三是引发供电事故的发生。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，会形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行。
四是导致设备无法正常工作。对旋转的发电机、电动机等，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中会产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，严重时可能还会引起机械共振，导致设备无法正常工作。
五是引发恶性事故。由于谐波的大量存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域（厂内）电网瓦解，造成大面积停电等恶性事故。
六是导致线路短路。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。
七是降低产品质量。由于谐振波的长期存在，电机等设备运行增大了振动，使生产误差加大，降低产品的加工精度，降低产品质量。
八是影响通讯系统的正常工作。谐波分量会在通讯系统内产生声频干扰，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，影响通话的清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。
4、电力系统谐波治理的基本方法
评价电能质量有三方面标准。一是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；二是频率波动；三是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范，因此我们对非线性用电设备产生的谐波必须进行治理，使谐波分量不超过国家标准。目前常用的谐波治理主要有以下三种方法：
一是减少非线性用电设备与电源间的电气距离。也就是减少系统的阻抗，换句话说就是提高供电电压等级。
二是对谐波进行隔离。非线性用电设备产生的谐波，它不仅直接影响到本级电网，而且经过变压器后，还会影响到上几级电网。如何使这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网，这就需要对谐波进行有效隔离，这是谐波治理的一个基本方法。
三是安装滤波器。目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法，多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类，其中有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，它能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。
5、采2#胶带输送机整流装置产生谐波的治理
经过对上述电力系统谐波治理的基本方法进行对比分析，采用有源滤波器是治理谐波最有效的方法之一。目前对选厂采2#胶带输送机整流装置所产生的谐波进行治理就是采用此方法。具体对四套DCS800系列全数字晶闸管整流装置分别安装一套RST4×B250LSM型有源滤波器进行谐波治理。
RST4×B250LSM型有源滤波器对采2#胶带输送机投运后，谐波治理效果较为明显，具体详见图1-14。
图1 有源滤波器未投运前电压波形图
图2 有源滤波器投运后电压波形图
图3 有源滤波器未投运前电流波形图
图4 有源滤波器投运后电流波形图
图5 有源滤波器未投运前电流电压表
图6 有源滤波器投运后电流电压表
图7 有源滤波器未投运前功率和电能表
图8 有源滤波器投运后功率和电能表
图9 有源滤波器未投运前谐波电压表
图10 有源滤波器投运后谐波电压表
图11 有源滤波器未投运前谐波电流表
图12 有源滤波器投运后谐波电流表
图13 有源滤波器未投运前谐波柱状图
图14 有源滤波器投运后谐波柱状图
从上述图形及参数可得出以下三点结论：
（1）系统在使用RST4×B250LSM型有源滤波器后，谐波电压明显得到改善，电压畸变率由原来的三相6.4%、6.5%、6.4%降低为3.7%、3.7%、3.6%，满足国家标准要求。
（2）电能方面。功率因数由0.75提高到0.94；平均电流有效值变化率η=6.7%，满足技术要求3%的节能指标。
（3）系统中原有谐波电流经滤波器补偿后基本消除，原负载侧A、B、C相谐波电流总含量分别是187.1A、187.9A、188.5A，补偿后电源侧三相谐波电流总含量分别是46.23A、48.98A、45.30A，尤其是5次谐波由原来的174.8A下降到4.3A。补偿后的谐波电流畸变率分别是9.8%、10.5%、9.6%，满足国家标准要求。
参考文献：
[1]《大红山铜矿原矿输送系统设计资料》，昆明有色冶金设计研究院.
[2]徐政.《低压系统谐波分析》，机械工业出版社.
[3]李建民.《大红山铜矿选厂驱动站采2#胶带输送机有源滤波器现场调试报告》.昆明长科英华科技有限公司.
论文作者:方智枫
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/14
标签：谐波论文; 滤波器论文; 电流论文; 电网论文; 电压论文; 基波论文; 波形论文; 《电力设备》2018年第27期论文;