淺談污水廠的諧波治理

1、    淺談污水廠的諧波治理    梁偉文摘要：諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。諧波能影響電力檢測儀器的測量準(zhǔn)確性及對自控儀表系統(tǒng)有干擾作用。關(guān)鍵詞：諧波、電子儀表、變頻器abstract: referring to the current harmonic contained in frequency for base wave integer times power, generally refers to a nonsinusiodal periodi

2、c power to fourier decomposition, the rest is greater than base wave frequency current to produce power. harmonic can affect the electrical testing instrument measurement accuracy and instrumentation system have interference.keywords: harmonic, electronic instrument, frequency converter中圖分類號(hào)：tn773 文

3、獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1前言根據(jù)我院設(shè)計(jì)的某污水處理廠的業(yè)主反饋意見，在該污水廠試運(yùn)營期間，污水廠中央控室內(nèi)的控制系統(tǒng)顯示的分析儀表與過程儀表（電子儀表）的數(shù)據(jù)波動(dòng)很大，出現(xiàn)實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相差較大等問題；就這些問題，業(yè)主組織設(shè)計(jì)院匯同設(shè)備供貨商、設(shè)備安裝單位等相關(guān)人員等到現(xiàn)場實(shí)地考察，共同探討解決方案。本人代表設(shè)計(jì)院出席會(huì)議，并到達(dá)污水處理廠實(shí)地考察，力求找出上述問題的根源及解決方案。在實(shí)際考察過程中，本人發(fā)現(xiàn)該工程的安裝質(zhì)量比較差，沒有按相關(guān)的施工規(guī)范要求施工，如電纜溝里的動(dòng)力電纜與弱電電纜（包括控制電纜、通訊電纜、光纖等）混合一起放置；電氣設(shè)備安裝也存在著偷工減料的現(xiàn)象，如當(dāng)我們一走

4、進(jìn)低壓配電房，就聽到“嗡嗡嗡”很刺耳的噪聲，這應(yīng)該是變頻器沒有安裝出線電抗器所引起的；經(jīng)過一系列的考察，本人初步認(rèn)定，電子儀表的數(shù)據(jù)混亂是由于諧波引起的。2什么是諧波從嚴(yán)格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。即：根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)的原理，周期函數(shù)都可以展開為常數(shù)與一組具有共同周期的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)之和。 其展開式中，常數(shù)表達(dá)的部分稱之為直流分量，最小正周期等于原函數(shù)的周期的部分稱之為基波或一次諧波，最小正周期的若干倍等于原函數(shù)的周期的部分稱之為高次諧波。因此高次諧波的頻率必然也等于基波的頻率

5、的若干倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推，諧波示意圖如下圖所示。諧波示意圖而從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時(shí)“諧波”這個(gè)詞的的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因?yàn)閺V義的諧波概念，才有了“分?jǐn)?shù)諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說法。產(chǎn)生的原因：由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。對于本污水廠，主要非線性負(fù)載就是變頻器。3諧波的產(chǎn)生在電力系統(tǒng)中，諧波的產(chǎn)生主要來自于3個(gè)方面：3.1發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一

6、致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。3.2輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。3.3用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波：晶閘管整流設(shè)備。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角

7、的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。在污水處理廠設(shè)備中，主要的晶閘管整流設(shè)備就是變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)與水泵等設(shè)備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，

8、隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。除了變頻裝置，氣體放電類電光源也是諧波源之一。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴(yán)重，有的還含有負(fù)的伏安特性，它們會(huì)給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。4諧波的影響4.1對供配電線路的影響主要有：4.1.1導(dǎo)致繼電設(shè)備的誤動(dòng)作或拒動(dòng)。4.1.2加在中性線電統(tǒng)，降低電網(wǎng)電壓4.2諧波對電力設(shè)備的影響主要有：4.2.1在電壓發(fā)生畸變的配電網(wǎng)絡(luò)中，電容器有可能產(chǎn)生諧波諧振和諧波放大；加速電容器的老化；導(dǎo)致電容器鼓肚、擊穿或爆炸等現(xiàn)象的發(fā)生。4.2.2變壓器的銅耗、鐵耗及其它的雜散損耗增加

9、，降低變壓器的使用壽命。4.3諧波對用電設(shè)備的影響主要有：4.3.1降低電動(dòng)機(jī)的效率，增加附加損耗，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生過熱及振動(dòng)等現(xiàn)象。4.3.2影響電力檢測儀器的測量準(zhǔn)確性。4.3.3對于低壓開關(guān)設(shè)備來，可以產(chǎn)生開關(guān)設(shè)備的誤動(dòng)作。4.3.4對弱電系統(tǒng)的干擾。電力電子設(shè)備對供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設(shè)備常常須靠電壓波形的過零點(diǎn)或其它電壓波形取得同步運(yùn)行。電壓諧波畸變可導(dǎo)致電壓過零點(diǎn)漂移或改變一個(gè)相間電壓高于另一個(gè)相間電壓的位置點(diǎn)。這兩點(diǎn)對于不同類型的電力電子電路控制是至關(guān)重要的?？刂葡到y(tǒng)對這兩點(diǎn)(電壓過零點(diǎn)與電壓位置點(diǎn))的判斷錯(cuò)誤可導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控。而電力與通訊線路之間的感性或容性耦合亦可能造成對

10、通訊設(shè)備的干擾。計(jì)算機(jī)和一些其它電子設(shè)備，如可編過程控制器(plc)，各種分析儀表等，通常要求總諧波電壓畸變率(thd)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的生產(chǎn)責(zé)任事故。5諧波的治理措施綜上所述，在本污水處理廠中造成電子儀表數(shù)據(jù)混亂的根源就是諧波，通過分析可知，在污水處理廠內(nèi)雖然有使用氣體放電類電光源的燈（如道路照明用的高壓鈉燈等），但使用量不大，所以產(chǎn)生諧波的主要源頭集中在變頻器中，在污水廠，提升泵，氧化溝，鼓風(fēng)機(jī)，回流污泥泵均要求是變頻控制，而這幾種設(shè)備功率占到污水廠使用設(shè)備總功率的二分之一左右，所以治理好變頻器的諧波

11、影響就是這一次任務(wù)的根源所在。諧波的治理措施，主要原理是抑制供電系統(tǒng)干擾和輻射干擾，可采取濾波、屏蔽、隔離、接地等技術(shù)手段，針對本污水的情況，本人提出以下幾點(diǎn)措施：5.1對電子儀表做好抗干擾的措施。復(fù)核各電子儀表的通訊電纜是否采用帶屏蔽的控制電纜，如果是普通的控制電纜，須更換。（本院設(shè)計(jì)時(shí)要求采用帶屏蔽的控制電纜，屏蔽電纜是防止通訊信號(hào)受到諧波干擾的常用手段。）5.2低壓電源無功補(bǔ)償電容柜中增加無源諧波濾波器。無源濾波器采用lc回路，是傳統(tǒng)的無源諧波抑制裝置，它是濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，并聯(lián)于系統(tǒng)中，除了具有濾波作用之外，還有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?。lc回路的設(shè)定，只能針對于某一次諧波

12、，即針對于某一個(gè)頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設(shè)定的lc回路，達(dá)到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的，此濾波器具有裝置簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。5.3變電所內(nèi)，所有的變頻器均要求根據(jù)容量增加相關(guān)的進(jìn)線電抗器與出線電抗器。進(jìn)線電抗器又稱電源協(xié)調(diào)電抗器，它既能阻止來自電網(wǎng)的干擾，又能減少整流單元產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)的污染，特別是當(dāng)電源容量很大時(shí)，更要防止各種過電壓引起的電流沖擊，因?yàn)樗鼈儗ψ冾l器內(nèi)整流二極管和濾波電容器都是有害的。因此接入進(jìn)線電抗器，對改善變頻器的運(yùn)行狀況是有好處的。輸出電抗器是接在變頻器輸出端與負(fù)載（電機(jī)）之間，能起到抑制變頻器噪聲的作用。5.4要求對電纜的敷設(shè)進(jìn)行整改，按照施工規(guī)范，

13、電力電纜是不能與弱電電纜（包括控制電纜，通訊電纜等）混合放置，在電纜溝內(nèi)，須分層放置；在金屬橋架里敷設(shè)，需在橋架內(nèi)增加金屬隔板，電力電纜與弱電電纜分開放置，并按規(guī)范做好接地措施。5.5變頻器使用專用接地線，且用粗短線接地，鄰近其他電器設(shè)備的地線必須與變頻器配線分開使用短線，這樣能有效地抑制電流諧波對鄰近設(shè)備的輻射干擾。5.6如果上述措施效果不明顯，可以考慮把變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的電纜改為穿鋼管敷設(shè)或直接換成鎧裝電纜，防止輻射干擾其他設(shè)備。6結(jié)語污水處理廠的業(yè)主根據(jù)上述的措施，要求相關(guān)單位進(jìn)行整改，取得了良好的效果，電子儀表數(shù)據(jù)混亂的問題得而解決。通過上述案例，可以清楚地了解到諧波產(chǎn)生的原因，治理原理主要是抑制供電系統(tǒng)干擾和輻射干擾，具體治理措施是采取濾波、屏蔽、隔離、接地等技術(shù)手段，將變頻器產(chǎn)生的