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趙斌
（安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801）
摘要：隨著電力電子變流裝置的應(yīng)用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用，但非線性電力裝置設(shè)備的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生了大量畸變的電流諧波，諧波污染越來越多地威脅到電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，給同一網(wǎng)絡(luò)的線性負(fù)載和其它用戶帶來了極大影響。煙草工業(yè)在生產(chǎn)制造過程中，使用大量的變頻器進(jìn)行調(diào)速，變頻器所產(chǎn)生的諧波，對廠區(qū)配電室的供電網(wǎng)造成了一定的影響。本文通過分析諧波的危害，并提出采用有源電力濾波器進(jìn)行某卷煙廠諧波治理的方案。
關(guān)鍵詞： 諧波；污染；有源電力濾波器；治理；卷煙廠
1、諧波的危害
變頻器工作時會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變成非正弦。這樣，連接在同一點的其他設(shè)備上就會被施加了含有諧波成分的非正弦電壓，致使一些敏感設(shè)備無法正常工作。諧波對企業(yè)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）使電力元件附加損耗加大，易引發(fā)火災(zāi)
諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災(zāi)。
（2）影響電氣設(shè)備的正常運行
諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等；使變壓器局部嚴(yán)重過熱；使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。
（3）引起電網(wǎng)諧振
這種諧振可能使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器形成很大的威脅，經(jīng)常使電容器和電抗器燒毀。
（4）使繼電保護(hù)誤動作，電氣測量誤差過大。
諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)，特別是微機綜合保護(hù)器與自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和生產(chǎn)損失。諧波還會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計量誤差，給用電管理部門或電力用戶帶來經(jīng)濟損失。
（5）使工控系統(tǒng)崩潰
臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設(shè)備產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲、降低通信質(zhì)量、計算機無法正常工作，重則導(dǎo)致信息丟失，使工控系統(tǒng)崩潰。
諧波所產(chǎn)生的危害如此之嚴(yán)重，世界各國都對諧波問題予以充分關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。國標(biāo)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值和諧波電流允許值分別見表1-1和表1-2：
表1-1 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值
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電網(wǎng)標(biāo)稱電壓（kV）
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電壓總諧波畸變率（%）
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各次諧波電壓含有率（%）
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奇 次
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偶 次
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0.38
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5.0
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4.0
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2.0
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6
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4.0
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3.2
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1.6
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10
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35
|
3.0
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2.4
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1.2
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66
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110
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2.0
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1.6
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0.8
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表1-2 注入公共連接點的諧波電流允許值
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標(biāo)稱電
壓（kV）
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基準(zhǔn)短路
容量（MV.A）
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諧波次數(shù)及諧波電流允許值（A）
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2
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3
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4
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5
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6
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7
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8
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9
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10
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11
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12
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13
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0.38
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10
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78
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62
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39
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62
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26
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44
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19
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21
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16
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28
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13
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24
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10
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100
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26
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20
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13
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20
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8.5
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15
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6.4
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6.8
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5.1
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9.3
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4.3
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7.9
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14
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15
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16
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17
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18
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19
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20
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21
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22
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23
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24
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25
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0.38
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10
|
11
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12
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9.7
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18
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8.6
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16
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7.8
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8.9
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7.1
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14
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6.5
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12
|
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10
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100
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3.7
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4.1
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3.2
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6
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2.8
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5.4
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2.6
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2.9
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2.3
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4.5
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2.1
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4.1
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2、諧波的治理
傳統(tǒng)的LC無源調(diào)諧濾波器的方法可以降低諧波電流，又可以補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，故一直被廣泛使用，但這種方法的最大缺點就是其性能要受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波電壓放大，如果保護(hù)措施不得力，甚至使LC濾波器過載或燒毀。有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是“用戶電力技術(shù)”中一種非常重要的裝置，它能抑制電流諧波及閃變等，用以補償負(fù)荷電流中的諧波和無功，使電源側(cè)電流保持為正弦波，從而防止諧波對電網(wǎng)的污染和提高功率因數(shù)。這種補償器主要用在對非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波源進(jìn)行治理。
安科瑞電氣股份有限公司開發(fā)的ANAPF系列有源電力濾波器，采用實時的檢測方法，得到電網(wǎng)電壓或電流中的波動、不對稱、諧波等畸變分量，利用快速的電力電子功率器件（IGBT）產(chǎn)生與其相反的波形，再將其抵消掉。原理如圖2-1所示：
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圖2-1 ANAPF有源電力濾波器原理圖
3、有源濾波案例
某卷煙廠動能車間卷接配電室，配置兩臺2000KVA的干式變壓器，由于其負(fù)卷包車間使用了大量變頻器，曾引起電抗器損壞、低壓開關(guān)燒毀，我們使用FLUKE434電能質(zhì)量分析儀對其中一臺變壓器負(fù)載進(jìn)行測量，測試點位于電容補償后負(fù)載前的母排，測量發(fā)現(xiàn)變壓器副邊側(cè)5次電流諧波達(dá)到148A，7次諧波電流達(dá)到45A，從波形上明顯看到畸變嚴(yán)重。總電流為746A，畸變率為22.2%，總的諧波電流可以計算出為746×22.2%=165.61A。
治理方案：在變壓器副邊側(cè)并聯(lián)接入200A有源電力濾波器對其諧波進(jìn)行集中治理，使系統(tǒng)正常運行不受諧波危害。方案如圖3-1所示。
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圖3-1 ANAPF集中治理方案圖
安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術(shù)參數(shù)見表3-1和表3-2。
表3-1 ANAPF有源電力濾波器技術(shù)參數(shù)
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接線方式
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三相三線或三相四線
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接入電壓
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3×380V ±10%
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接入頻率
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50Hz ±2%
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全響應(yīng)時間
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＜20ms
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開關(guān)頻率
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10kHz
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功能設(shè)置
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只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功
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諧波補償次數(shù)
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2-31次
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保護(hù)類型
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直流過壓、IGBT過流、裝置過溫
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冷卻方式
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強制風(fēng)冷
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噪音
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＜ 65dB
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工作環(huán)境溫度
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-10℃～+45℃
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工作環(huán)境濕度
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＜85%RH 不凝結(jié)
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安裝場合
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室內(nèi)安裝
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海拔高度
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≤1000m（更高海拔需降容使用）
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進(jìn)出線方式
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下進(jìn)下出（根據(jù)客戶要求）
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防護(hù)等級
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IP20
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智能通信接口
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外加模塊
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安裝方式
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立柜式
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壁掛式
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抽屜式
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補償電流大小（A）
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50/75/100/150/200/250/300
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50/75/100
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50/75
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50/75
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外形尺寸(mm)
(W×D×H)
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800×800×2200
800×1000×2200
1000×1000×2200
（其他尺寸可定制）
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600×600×1800
（其他尺寸可定制）
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580×305×600
（其他尺寸可定制）
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540×570×240
（其他尺寸可定制）
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表3-2 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單
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型號：ANAPF200-380/B
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參考價格：36萬元/臺
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主要產(chǎn)品清單
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序號
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名 稱
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數(shù)量
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1
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APF柜體
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1
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2
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APFCOV-200-G變流器
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1
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3
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APFCOV-200控制器
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1
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4
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APFRE-200-Y電抗器
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1
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5
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電流互感器
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3
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6
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濾波器
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2
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7
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風(fēng)機
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2
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8
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接觸器
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2
|
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9
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塑殼斷路器
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1
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10
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變壓器
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1
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11
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彩色觸摸顯示屏
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1
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注：以上技術(shù)參數(shù)或器件名稱、數(shù)量如有更改，恕不另行通知。
4 諧波治理效果
安裝200A有源電力濾波器后，電流畸變率得到大幅度下降，電流波形圖由投入前的不規(guī)則變?yōu)橥度牒蟮慕咏也āＶ卫砬昂蟛ㄐ稳鐖D4-1所示。同時功率因數(shù)得到提高，減少了線路的功率損失，提高了電網(wǎng)輸電效率，可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費開支。
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圖4-1 治理前后波形對比
5、諧波治理經(jīng)濟效益
配電系統(tǒng)中無功主要靠無功柜補償，但是諧波對無功柜內(nèi)電容的損害非常嚴(yán)重。電容器的壽命跟加在電容上的電壓、電容運行環(huán)境溫度和電容器投切次數(shù)密切相關(guān)。根據(jù)著名電容器廠商EPCOS的測試數(shù)據(jù)，電容器運行壽命可以用以下公式表示：
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其中LE為電容實際運行壽命；LEn是電容器期望壽命；Xv是電壓系數(shù)；Xt是溫度系數(shù)；Xs是投切系數(shù)。系數(shù)關(guān)系表如表5-1：
表5-1 電容實際壽命與電壓、溫度及切頭次數(shù)關(guān)系
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LE=LEn*Xv*Xt*Xs
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LE=LEn*Xv
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LE=LEn*Xt
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LE=LEn*Xs
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Uc=1.10Un
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Xv=0.50
|
Tav=42℃
|
Xt=0.5
|
5000/a
|
damping
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Xs=1
|
|
Uc=1.05Un
|
Xv=0.70
|
Tav=35℃
|
Xt=1.0
|
10000/a
|
damping
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Xs=0.7
|
|
Uc=1.00Un
|
Xv=1.00
|
Tav=28℃
|
Xt=1.2
|
5000/a
|
no damping
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Xs=0.4
|
|
Uc=0.95Un
|
Xv=1.25
|
|
|
10000/a
|
no damping
|
Xs=0.2
|
|
Uc=0.90Un
|
Xv=1.50
|
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Thyrister Switches
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Xs=1
|
以EPCOS電容器為例，正常工作電壓400V，工作溫度35℃，每年投有阻尼切次數(shù)不大于5000次，那么該電容器的使用壽命即為正常壽命。
在諧波環(huán)境下工作的電容，由于電容對諧波呈低阻抗特性，所以首先溫度會大大上升，溫度Xt將變小；由于有諧波會產(chǎn)生壓降，為提高功率因數(shù)，電容電壓必須大于線電壓，這導(dǎo)致電壓系數(shù)Xv也變小；另外高溫會導(dǎo)致電容容值下降，為保證功率因數(shù)，電容投切次數(shù)必然上升，切投系數(shù)Xs同時減小。因此根據(jù)上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn，也即在諧波環(huán)境下工作的電容壽命為正常環(huán)境下電容壽命的十分之一！
由于諧波環(huán)境下電容器更容易損壞，頻繁的更換電容直接導(dǎo)致硬件成本的上升；另外電容柜是供電系統(tǒng)中提供無功最大的電器柜，電容出現(xiàn)故障必然會導(dǎo)致功率因數(shù)下降，繼而會因功率因數(shù)低而被罰款。以電容正常壽命5年計算，在諧波環(huán)境下運行的電容半年就要更換。該卷煙廠每臺變壓器配有無功ABB電容器，單個25Kvar，共800kvar。ABB電容器價格在2000元左右，在與該卷煙廠現(xiàn)場工作人員交流中了解到，平均每月都會更換一個電容。也即一年僅更換電容就有24000元的經(jīng)濟損失。由于諧波影響，電容壽命為正常壽命的十分之一，也即更換頻率為正常的10倍！這并不包括由于電容容量的降低使得功率因數(shù)低而罰款和這期間各種其他間接損失。由此可以看出諧波產(chǎn)生的直接經(jīng)濟損失十分巨大。
6 結(jié)束語
近年來，變頻器因其驅(qū)動電機系統(tǒng)節(jié)能明顯、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于大量工廠，但同時因其非線性工作方式產(chǎn)生的高次諧波也給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來了一定的影響，其危害已不可忽視。對于電能質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格的今天，并聯(lián)型有源電力濾波器是一種特別適合煙草行業(yè)諧波治理的優(yōu)秀方案。ANAPF有源電力濾波器能很好的抑制電網(wǎng)中的諧波污染，極大改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，良好滿足設(shè)備的運行要求和國家標(biāo)準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)
[1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.
[2]王萍.諧波治理在卷煙行業(yè)變配電中的應(yīng)用.
[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊2014.1版.
作者簡介：
趙斌，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電力電子及諧波治理。技術(shù)交流：021-69158305 手機：18702111892 郵箱：2880157852@qq.com
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