化工企业行业应用方案

系统概述：

化工制造业，使用的主要负载是电动机，随着科技的发展和技术的常熟，越来越多的向节能和智能方向发展，大量的变频器在现场配套电动机使用，在节约成本，起到节能作用的同时，也产生了大量的谐波；同时由于工艺进步和化工材料的要求越来越高，以及对于人身安全和健康的考虑，逐步缩减一线工作人员，实现工业化生产，现场使用了大量的计算机中控和DCS等工艺控制系统，大量的变频器谐波，在危害用电系统稳定性的同时，也会对工艺控制系统的准确性和稳定性造成严重的隐患。

由于化工制造业对人身和环境存在非常高的潜在危险性，所以稳定性是供配电系统的首要指标，一旦出现事故，将是难以估算的生产事故，造成极高的人身安全威胁和严重的环境污染后果。

在化工制造业，谐波的主要危害体现在两个方面

第一个方面是谐波导致的线路保护，造成线路保护的误动作拒动作，造成供配电系统供电故障，从而影响现场生产设备的运行，导致原料的投料和转出出现失误，轻则原材料浪费，重则出现原材料泄露，化学反应过度而导致爆炸等等严重后果；

  第二各方面是谐波影响到工艺控制系统，由于技术进步和工艺要求的逐步提高，以及对人身安全和健康的重视，越来越多的化工制造业开始倾向于工业化改革，缩减一线工作人员，以工艺控制系统，机械化来代替人工作业，在这种情况下，一旦计算机中控系统或者现场DCS控制系统因为谐波干扰，出现信号错误，就会导致严重的后果，影响到整条生产线的正常运行，造成巨大的经济损失。

行业谐波源的设备分析：

化工制造业中，主要的谐波源为大功率变频器，大量的变频器的投入使用，导致了大量的3/5/7/11等（2n＋1）次谐波的出现。

对于电源输入端而言，变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6n±1次高次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。如果电源侧电抗充分小、换流重叠角"可以忽略，那么n次高次谐波为基波电流的1/n，变频器电流谐波将会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，变频器谐波会使电力电容发生过载、过热甚至损坏电容器。当电容器与线路阻抗达到共振时会发生振动、短路、过电流及产生噪声。变频器谐波电流会使开关设备在启动瞬间产生很高的电流变化率，破坏绝缘。

对于用电负载而言，在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形。对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2-3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波，变频器输出谐波使得电机附加发热使电机额外升温；产生机械震动、噪音及过电流。

变频器谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差；变频器谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。

谐波特点分析：

  由于交流输入功率因数较低，会产生大量的谐波电流，对电网产生较大的污染，严重时，还可能会危及输入电网以及跨接在该电网中的各种用电设备的安全运行，主要的影响有以下几点：

1.干扰通信和数据传输

  谐波会对附近的通信系统产生干扰，引进噪声，降低通信质量，严重时还会丢失信息，使通信系统无法正常工作，同时影响电子设备工作精度，影响计算机和DCS工艺控制系统的正常工作，而UPS等整流设备在整流过程中所产生的谐波还会影响计算机网络，造成网络出错、停机。

2.谐波谐振造成设备损坏或开关误动作

  正常情况下，电力系统的参数设计使得电路谐振频率远离基波频率，但是如果电路中出现谐振现象，就会造成严重的后果。如果电路中出现了串联谐振，线路中的阻抗就会突然降低，线路电流接近于短路电流，这会造成线缆过热烧坏，进而出现系统短路、开关跳闸等电力故障；而出现并联谐振，会表现为线路阻抗突然增大，所以系统的谐波电压被放大，这将造成线路电缆、开关、电容等用电设备的绝缘被高压击穿，系统会出现严重的短路故障。

3.增长变压器的负荷容量

  变压器会由于过大的谐波电流而产生涡流损耗和磁滞损耗，这些均会引起变压器铁芯温升过快，而造成设备工作效率降低；同时还会使绝缘损坏，甚至会造成设备短路故障，为了抑制温升，变压器需降容使用。

4.破坏继保装置的正常动作

  谐波电流会引起继保装置的发热量增加，造成继保装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

5.加速电缆老化，缩短使用寿命

  由于谐波电流，线缆中的实际电流有效值将大于基波电流，同时由于集肤效应，增加了导线的谐波电阻，增加了线路损耗，降低线路的传输能力，加速电缆老化，缩短使用寿命。

6.对电源导线的影响

　 在电力系统中，因为趋肤效应，高的谐波频率增加了导线的谐波电阻。因此谐波电流会增加线路损耗，并降低线路的传输能力。此外谐波还可能引起浸渍绝缘局部放电，加速电缆绝缘老化，缩短电缆的使用寿命。

7.对电度表的影响

　　如果加于电度表的电压、电流的波形为非正弦波，使工作磁通的波形变为非正弦波，任何非正弦波均可分解为一系列高次谐波，同频高次谐波磁通之间相互作用会产生附加力矩，因而引起附加误差，甚至造成计量混乱。

治理方案

1）就地与集中方案比较

结论：通过以上分析，我们认为该项目的谐波治理方案采用集中式方案更好。

集中式治理方案的典型拓扑图示意如下：

使用CoEpo APF系列有源滤波器可以有效地滤除配电机房网络中的谐波，达到提高电能质量和节能降耗的目的。有源滤波器的安装位置越靠近谐波源，节能效果越明显。由此我们可以根据负载谐波源数据分析，针对化工厂项目的配电情况，对不同的谐波污染的情况进行谐波治理。

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