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(yīng)用與工程部2011-12-161.諧波在理想的情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)該提供具有正弦波形的電壓，但在實(shí)際中供電電壓的波形會(huì)由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。我們所說(shuō)的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率(在我國(guó)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(shè)備(又稱為非線性負(fù)荷)供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作中時(shí)向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞。2.諧波源在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。在發(fā)電環(huán)節(jié)中對(duì)發(fā)電機(jī)的接線采取一些措施后，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)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(lái)自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備。具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備如：變壓器、電抗器等；以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧現(xiàn)象的設(shè)備如：氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等；以電力電子元件為基礎(chǔ)的電源的設(shè)備如：各種電力交流設(shè)備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓設(shè)備，大容量的電力品閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)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(shè)備中。諧波危害3.1增加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗，使設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)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(guò)導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。（1） 對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應(yīng)、磁帶、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機(jī)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(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大。但諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸震動(dòng)的問(wèn)題。（2） 對(duì)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(duì)三角連接的變壓器會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過(guò)熱；對(duì)全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。（3） 對(duì)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(yīng)的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應(yīng)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(dǎo)致中性線過(guò)載。輸電線路存在著分布的線路電感和對(duì)地電容。它們與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時(shí)，在一定的參數(shù)配合條件下，會(huì)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(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)相關(guān)設(shè)備的危害性較大。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波的上頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，會(huì)激勵(lì)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(huì)引起繼點(diǎn)保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，以全損壞設(shè)備，與此同時(shí)還可以產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。對(duì)于電力電纜線路，由于電纜的對(duì)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(lì)出較大的諧波振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。（4） 對(duì)電力電容器的影響隨著諧波電壓的增高，會(huì)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生諧波放大，使得電容器因過(guò)熱、過(guò)電壓等而不能正常運(yùn)行，甚至損壞。3.2影響繼電和自動(dòng)裝置工作的可靠性諧波對(duì)電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響十分嚴(yán)重，這是由于這負(fù)序（基波）量整定的保護(hù)裝置整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)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(fù)序源）則會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)（若誤動(dòng)引起跳閘則后果嚴(yán)重），變電站主變的復(fù)合電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓保護(hù)誤動(dòng)，母線差動(dòng)保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全進(jìn)行。3.3使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確由于電力計(jì)量裝置都是按50Hz的標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓或負(fù)荷電流中有諧波成分時(shí)，會(huì)影響感應(yīng)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(fèi)；而與此同時(shí)，在線性負(fù)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(fù)荷性能變壞，而且還要多交電費(fèi)。電子式電能表更不利于供電部門(mén)而有利于非線性負(fù)荷用戶。3.4干擾通信系統(tǒng)的工作電力線路上流過(guò)的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波通過(guò)磁場(chǎng)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(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。另外高壓直流域（HVDC）換流站換相過(guò)程中產(chǎn)生的電磁噪聲（3-10KHZ）會(huì)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(hù)裝置動(dòng)作失損，影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。3.5對(duì)用電設(shè)備的影響諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫(huà)面亮度發(fā)生變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過(guò)熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于帶有啟動(dòng)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(lái)說(shuō)，會(huì)因?yàn)樵谝欢▍?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(guò)熱而損壞。對(duì)于采用品閘管的變速

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

4.2、回路1治理前計(jì)量和設(shè)備的影響。4.2.1、無(wú)APF：ABCD計(jì)量由于諧波照成變壓器的鐵損和銅損較大，所以計(jì)量會(huì)增加而且，大量的諧波消耗在變壓器重所以諧波對(duì)計(jì)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(jì)量會(huì)增加。諧波越大增加越大。由于諧波源的對(duì)計(jì)量精度影響較大，而且由負(fù)載發(fā)送的部分諧波功率往變壓器，所以計(jì)量會(huì)有所減少，但線損的增加，是的耗電量增加，所以計(jì)量變化不明顯。具體情況受諧波負(fù)載所占整個(gè)負(fù)載的比例來(lái)定，諧波占比例越小影響越小。此次計(jì)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(jì)量不準(zhǔn)，計(jì)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(guò)來(lái)的諧波功率，故計(jì)量會(huì)增加。具體此支路與諧波支路的距離以及負(fù)荷大小不同而不同，離諧波源越遠(yuǎn)，負(fù)荷越大影響越小。電容補(bǔ)償柜對(duì)此處電容補(bǔ)償有影響較小，諧波越大對(duì)電容補(bǔ)償柜損還越大。對(duì)此處電容補(bǔ)償影響一般，諧波越大對(duì)電容補(bǔ)償柜損還越大。對(duì)此處電容補(bǔ)償影響最大。對(duì)此處電容補(bǔ)償影響較小。設(shè)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(wú)影響由于有諧波電壓的存在，會(huì)影響負(fù)載的縮短其壽命。ABCD計(jì)量由于諧波的消除，變壓器的鐵損銅損下降，計(jì)量下降明顯。計(jì)量變化不明顯在C點(diǎn)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(jì)量上升。在B點(diǎn)投入APF和投入前一樣在C點(diǎn)安裝APF由于不再接收諧波功率，計(jì)量更準(zhǔn)確，計(jì)量下降。在B點(diǎn)投入APF無(wú)變化電容補(bǔ)償柜補(bǔ)償柜運(yùn)行好轉(zhuǎn)。改善在C投入APF明顯改善。在B點(diǎn)安裝APF無(wú)改善在C投入APF有改善。在B點(diǎn)安裝APF無(wú)改善設(shè)備改善明顯無(wú)影響在C投入APF有改善。在B點(diǎn)安裝APF無(wú)改善4.2.3APF投入前后比較ABCD計(jì)量變化B點(diǎn)投入APF計(jì)量減少變化不大無(wú)變化無(wú)變化C點(diǎn)投入APF計(jì)量減少變化不大增加減少電容補(bǔ)償柜APF投入前變差變差嚴(yán)重變差變差B點(diǎn)投入APF改善改善無(wú)改善無(wú)改善C點(diǎn)投入APF改善改善明顯改善改善設(shè)備運(yùn)行APF投入前變差無(wú)變化變差B點(diǎn)投入APF明顯改善無(wú)變化無(wú)改善C點(diǎn)投入APF明顯改善無(wú)變化改善4.2.4、總結(jié)對(duì)于回路1的情況通過(guò)對(duì)比，將APF安裝在非線性支路上治理對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的保護(hù)等效果較好。如果在變壓器二次側(cè)統(tǒng)一治理對(duì)線性負(fù)載起不到保護(hù)作用，但工廠配電沒(méi)能做到線性負(fù)載和非線性負(fù)載分開(kāi)的情況下只能在變壓器二次側(cè)統(tǒng)一治理。APF的投資回報(bào)不能單純從節(jié)約多少電費(fèi)來(lái)計(jì)算回報(bào)，單純從節(jié)約電費(fèi)的回報(bào)率不高甚至沒(méi)有，而且如果是支路計(jì)費(fèi)的話對(duì)諧波支路會(huì)出現(xiàn)不降反升的情況。APF的投資回報(bào)應(yīng)從這個(gè)配電系統(tǒng)的節(jié)能降耗來(lái)計(jì)算投資回報(bào)，即高壓側(cè)的計(jì)量以及設(shè)備的維修費(fèi)和使用壽命來(lái)計(jì)算。降耗是主要的回報(bào)，即降低設(shè)備的損耗這塊。由于整個(gè)配電系統(tǒng)的電器維修維護(hù)費(fèi)用不好統(tǒng)計(jì)，但是配電系統(tǒng)的維修維護(hù)費(fèi)用是容易統(tǒng)計(jì)出來(lái)的，即只計(jì)算電容補(bǔ)償柜的維修費(fèi)用，變壓器的維護(hù)費(fèi)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(shè)備維修這塊一起簽訂維修合同的方式推廣，通過(guò)在APF安裝前幾年的年維修費(fèi)用，計(jì)算出平均年維修費(fèi)，和回報(bào)周期，加上節(jié)能的百分比。何其簽訂每年多少維修費(fèi)的維修合同方式，回報(bào)率較高，不過(guò)此方式存在一個(gè)原因設(shè)備如果在損壞臨界狀態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)，而且需要一定數(shù)量的工程設(shè)備服務(wù)人員。但隊(duì)伍培養(yǎng)出來(lái)了也可以成立一個(gè)專為企業(yè)做維修的隊(duì)伍來(lái)承包企業(yè)設(shè)備維修來(lái)拓展公司業(yè)務(wù)。4.3、 回路2治理前計(jì)量和設(shè)備的影響。作為中頻爐和直流電弧爐均有整流回來(lái)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(yùn)行狀況和對(duì)電容補(bǔ)償柜和變壓器起到很好的保護(hù)作用。由于消除諧波后變壓器的鐵損銅損會(huì)得到很好的改善，電能的計(jì)量在高壓側(cè)下降明顯，但低壓側(cè)變化不大，可能會(huì)出現(xiàn)略有上升的情況。設(shè)備的運(yùn)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(duì)冶煉爐的運(yùn)行影響不明顯。變壓器和電容補(bǔ)償柜的運(yùn)行都會(huì)得到很好的改善延遲器使用壽命。降低維護(hù)成本。4.4、 回路3治理前計(jì)量和設(shè)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(duì)補(bǔ)償電容的損害很大，加熱APF后能能很好的對(duì)補(bǔ)償柜和變壓器起到保護(hù)作用，而且能穩(wěn)定電弧，減少電極的消耗提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及縮短冶煉時(shí)間。變壓器和電容補(bǔ)償柜的運(yùn)行都會(huì)得到很好的改善延遲器使用壽命。降低維護(hù)成本。電能的計(jì)量在單位時(shí)間高壓側(cè)會(huì)有所下降，但低壓側(cè)變化不大，可能會(huì)出現(xiàn)略有上