金属电缆加工中的谐波及其控制

金属电缆加工中的谐波及其治理徐传虎(广三510051，广三南浦电器有限公司)陈(广三510051，南浦电力滤波工程技术中心)摘要：介绍了金属电缆加工工艺中使用的及变频驱动设备产生的谐波，及其对用户的危害，以及治理措施。关键词：金属线缆加工；DC和变频驱动；谐波与治理电力谐波与滤波技术与制造技术前言金属电缆加工业在家的建设和发展中起着非常重要的作用。随着科学技术的不断进步，大量的数控整流和变频设备在这个行业得到了广泛的应用。新设备的推广大大提高了金属电缆加工产品的品种、产量和质量；但是，大量的整流和变频设备对用户电网的电能质量也有严重的干扰，如谐波分量高、功率因数低、供电设备发热损耗大、容性无功补偿设备故障率高等。严重影响用户供电设备的安全经济运行，使生产成本增加，质量下降，影响行业的正常发展。因此，研究绞线拉丝生产过程中使用的DC及变频驱动设备产生的谐波及其有效处理措施，是提高金属电缆加工行业生产效率的新途径。1.DC和DC生产的谐波扭绞、拉丝等金属电缆加工技术中使用的变频驱动设备和变频设备的核心是采用现代大功率电力电子整流和换向控制技术。为了降低设备成本和运行维护费用，DC和变频驱动设备的功率元件均为六脉冲(六相)整流器。典型的六脉冲整流器电路如图1所示。理论上它的频谱包含谐波次数n，n=6m ^ 1(m为整数，m1)，每个谐波电流的幅值in=i1/n (n=5，7，11，13，…)。因此，典型的六脉冲整流器电路通常包含5、7、11、13等的谐波电流。图2是五次谐波分量(250赫兹)叠加在基波(50赫兹)上的示例。图1。典型六脉冲整流电路示意图图2。失真波形=基波以下是拉丝机的测量结果。

注：总等效谐波电流itdd= in (n=5，7，11，13)；图3。拉丝机交流电源侧测量电流波形的频谱图。根据实测数据，被测整流变流设备产生的主谐波电流为I5=19.7I1；I7=13.3I1I5=8.3I1I5=6.4I1总谐波电流itdd > 25。在标准的6脉冲换流模型中，非特征次谐波的幅值应为零；但由于实际电路中还有其他负载，实际6脉冲整流和换相设置受元件参数、不对称触发脉冲和电路阻尼的影响，非特征次谐波仍会出现，但一般情况下幅值较小。同时从表1可以看出，被测拉丝机的自然功率因数仅为0.5。2.谐波主要影响钢绞线生产企业中的扭拉工艺，该工艺使用大量的整流器和变频设备，在工作过程中会产生特征频率为5、7、11、13倍的谐波电流分量。谐波成分正常时，会达到总电流的25%左右；电网中有谐振放大时，其比例会更高。这些谐波电流在电网中流动产生谐波电压，会产生谐波功率，增加损耗，降低设备利用率，同时过高的谐波分量会干扰设备和生产线的正常运行。严重时共振放大会引起电压波动，干扰设备和生产线的稳定运行，影响产品质量；甚至过电压、过电流造成设备击穿或烧毁，造成生产事故，增加生产成本。3.抑制谐波的主要方法电力系统中减少谐波干扰的主要方法包括：3.1设备改造：如增加整流器和换流器装置的相数；3.2供电方式转换：比如改变电网电压等级；使用谐波源的互补组合。3.3滤波设备安装：无源或有源谐波抑制装置。根据负载谐波特性和工艺技术阈值，一般可以考虑3.1 ~ 3.3三种谐波抑制方法。过滤设备的安装可分为：1)过滤吸收方式。其原理是利用滤波器对流经某一系统一定时间的谐波分量形成低阻抗，吸收这些谐波分量，以降低其对系统的影响。该方法是一种常用的滤波方法，适用于含有谐波成分的系统。设备成本低，结构简单可靠，实用性强，操作方便。可根据负载变化自动切换，运行损耗小。必要时也可根据实际考虑作为无功补偿。该方法能有效吸收谐波电压和电流，其滤波效率可根据工程需要灵活设计。这种方法容易对调谐频率的谐波分量产生谐振放大(特别是安装补偿电容时)，因此在工程设计和调试中需要特殊的经验和技术。2)有源滤波法是一种新型的电力电子滤波装置，其原理是利用有源滤波器产生一个逆分量来抵消系统中存在的谐波分量。该方法适用于有谐波成分的系统，滤波效率高，适用性强，具有无功补偿功能，无谐振放大问题，运行损耗低，但设备成本高，结构复杂，运行维护技术要求高。4.工程实例根据绞线拉丝工艺设备的特点，设计并采用无源滤波吸收方式，具体目标如下：l降低电力谐波：消除谐波损耗和谐波干扰，提高电能质量；l提高功率因数：增加配电设备供电能力，提高设备利用率。l降低功率损耗：节能降耗，减少干式变压器、电容器组、开关、电缆等设备发热，延长设备使用寿命，降低生产成本。保护生产设备：解决普通电容器组存在的问题 #p#分页标题#e#

除低次谐波分量的单调谐支路，及滤除高频谐波分量的带通支路。设计采用由电容器和电抗器组合成各调谐支路，其中电容器分成数组，投切方式为自动监测控制接触器投切电容器组。滤波器组中的电容器、电抗器再加上电阻器适当组合成各种单调、高通谐波滤波器支路，对5次、7次、11次和13次及以上谐波分量吸收过滤。某拉丝工艺生产线产生的谐波及其工程治理效果如下：注：总等值谐波电流ITDD＝√∑In(n=5,7,11，13)；图5.滤波/补偿装置投入前后电流波形比较图根据对滤波/补偿装置投入前、后的现场测试数据，对案例工程滤波/补偿投运后的效果总结如下：4.1、使电压、电流波形得到极大改善根据标《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93要求。0.4kV级电网的电压波形总畸变率THDu≤5。由于谐波电压是由谐波电流流经系统等值阻抗产生的，要限制谐波电压，就必须控制电力用户各谐波源注入电网的各次谐波电流，即应采取有效措施抑制流经系统的谐波电流。实际上，滤波/补偿装置投入前，某拉丝所在供电网络的电压总畸变率THDu为4.82，接近标限值；滤波/补偿装置投入后对应供电网络的总畸变率THDu为2.23。说明由于滤波/补偿装置对谐波电流的有效吸收，使电压波形总畸变率得到良好控制，极大改善了电压、电流波形。电压、电流谐波成份的大幅下降，使电气设备机械震动大为减小，电缆及导线集肤效应、干式变压器铁芯磁感应环流减少，大大降低电气设备发热损耗；延缓绝缘老化，增加设备寿命。此外，谐波分量降低会直接提高供用电设备利用效率，减少对自动控制和保护装置的干扰和影响，避免误触发或测量误差等，保证生产秩序和提高产品质量。4.2、改善负荷功率因数，提高供用电设备利用率滤波/补偿装置投入前，拉丝负荷功率因数为0.5，属严重偏低。滤波/补偿装置投入后，在抑制电压、电流谐波成份的同时，实现了对供用电设备无功需求的有效补偿，使负荷功率因数得到显著提高，实测值为0.96。负荷功率因数的大幅提高，大大增加了供用电设备利用率。使电气设备发热损耗大大降低，绝缘老化延缓，设备寿命增加。4.3、有效抑制普通电容器组与供用电系统之间对谐波的谐振放大。由于使用了滤波/补偿装置，一方面大幅降低谐波分量，同时对基波实现无功补偿；另一方面使用偏调谐方式使滤波/补偿回路对系统内存在的各次谐波都呈现感性，从而避免出现对谐波分量产生谐振放大作用，保证了供用电设备安全和生产的稳定运行。5、结语上述工程案例说明，应用滤波/补偿装置有效的改良了绞线、拉丝工艺中主要设备的用电情况，减少了谐波影响，提高了功率因数。该工程实施近一年的结果显示：滤波/补偿装置显著改善了企业用电的各项电能指标，降低了生产成本、提高了产品的质量，增强了企业竞争力。作者简介：#p#分页标题#e#

1、徐槐1962生，工学硕士，高级工程师，长期从事供用电工程技术应用及研究工作。2、陈小骏1963生，工学学士，工程师，长期从事供用电工程技术应用及研究工作。

来源：中电力谐波监测及滤波工程技术网