中頻爐諧波治理及濾波補償

本文就國內使用非常廣泛的中頻爐諧波治理情況，敘述了測試概況、測試依據、測試儀器、測試方法、測試內容及結果、測試結論等，並提出了諧波治理措施的建議。

1測試概況

為了查明非線性負荷的諧波汙染情況，為今後諧波治理提供依據，我們對1.5噸中頻電爐進行了諧波調查測試。該廠由35KV大青變的10KV配電線路供電，其高壓配電結線簡圖如附圖1所示。與中頻電爐配套的配電變壓器的主要有關參數如下：型號為S9－1250／10，額定電壓10KV±5％／750V，10KV側額定電流為72.2A，短路阻抗5.46％。中頻爐由陝西省西安市中頻電爐有限公司製造。測試了煉一爐鋼的全過程中產生的諧波電流。測試結果表明，目前省內普遍使用的中頻電爐的5次、7次諧波電流超標嚴重，值得引起各有關管理部門重視。

2測試依據

（1）國標GB／T14549－93《電能質量公用電網諧波》；

（2）原電力工業部的《電網電能質量技術監督管理規定》；

（3）浙江省電力工業局電能質量監督實施細則（試行）。

3測試儀器

電能質量分析儀；以上儀器的技術規範符合諧波國標對諧波測試儀器的精度要求。

4測試方法

4.1測量信號的抽取：電壓信號因無法抽取信號暫未測量；電流信號取自被測10KV線路測量CT的二次回路試驗端子接入電能質量分析儀的電流輸入端，CT變比為100／5。

4.2測量儀器的設置：用電能質量分析儀測量；將儀器設置為自動定時測量方式，每兩次測量間隔為一分鐘，設置諧波次數為第2次－－～25次，進行一爐煉鋼周期的連續諧波測量。

4.3數據處理方法：測量完畢後利用儀器的後台分析功能，對定時測量的存盤數據文件作統計分析，得到各次諧波的95％概率值、*大值、*小值和平均值，並以*大相的95％概率值作為*終測量結果，與國標的限值或允許值比較來確定諧波電流是否超標。

5測試內容及結果

5.110KV側諧波電流的測量統計分析結果

測量統計分析結果如表1所示。

5次超標6.36倍

7次超標3.57倍

11次超標1.45倍

13次超標83％

23次超標2.38倍

25次超標2.55倍

總諧波含量18.71

注：上表中的國標諧波電流允許值係按國標在基準短路容量下的允許值按國標中提供的公式換算後求得。換算的計算參數為：公共連接點（35KV大青變10KV母線）*小短路容量49.44MVA；公共連接點的供電設備容量8MVA；用戶的用電協議容量1.25MVA。

5.2將10KV側諧波電流統計結果折算到750V側的諧波電流及5.3典型的波形（略）

6測試結論

6.1該公司1.5噸中頻電爐在在正常開爐冶煉過程中，在配變10KV側的主導諧波電流是5次、7次、11次等六脈動整流的特征諧波，其中5次諧波電流*大值達16.7A，95％概率值為15.5A，超標6.36倍；7次諧波電流*大值為9.093A，95％概率值為9.003A，超標3.57倍；11次諧波電流*大值達6.762A，95％概率值為3.964A，超標1.45倍；23次和25次諧波電流的95％概率值分彆為2.969A和2.841A，分彆超標2.38倍和2.55倍；總的諧波電流*大值為20.98A，95％概率值為18.71A。可見5次和7次諧波電流嚴重超標，11次，23次和25次超標也比較嚴重。

6.2將10KV側折算到750V側5次諧波電流*大值達222.7A，95％概率值為206.7A；7次諧波電流*大值為121.2A，95％概率值為120.0A；11次諧波電流*大值達90.2A，95％概率值為53.5A；總的諧波電流*大值為279.7A，95％概率值為249.5A；總的諧波電流含有率達到基波電流的22.43％。

中頻電爐在運行時注入電網的5次和7次等諧波電流嚴重超標。由於目前中頻電爐的使用比較普遍，故對電網造成嚴重的諧波汙染和乾擾影響，威脅到電網設備的**運行，應當引起用電管理部門和用戶的高度重視。因此，根據”誰乾擾，誰汙染，誰治理”的原則，必須在諧波源用戶就地采取抑製諧波的措施，這是*經濟有效的。如果該廠是長期使用該中頻爐的話，建議某市供電局應督促該廠在配變的低壓側加裝5次、7次及高通濾波器，就地濾除主要次諧波，將諧波水平限製到國標允許值範圍之內。

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主題：關於電弧設備、整流設備的諧波治理

現在很多鋼廠、鋁廠的電弧爐、中頻爐都會產生大量的諧波，根據我們積累的案例來看，治理的方式是不一樣的。

（1）如果諧波源是電弧設備，因其存在間諧波，諧波頻譜偏低，相角、幅值波動較大，加上功率快速閃動，所以用普通並聯無源濾波器效果不佳。

（2）如果諧波源是整流換流設備，則可在低壓母線側加裝並聯無源濾波器，隻要濾波器容量設計足夠，調諧點和支路數合理，其效果就有保證。適當改變諧波電流分布或網絡諧波阻抗，同時也改善了電網的諧波電壓水平。

主題：中頻爐諧波實測資料之一

中頻對電網造成的諧波肯定會有，隻是大小的問題，而且根據現場工作經驗燒毀電容的時候是有的。一個地區中頻電爐的量太大或者說采用可控矽整流方式工作的電器設備功率太高必然會對電網造成嚴重汙染，汙染的程度要是線路的的負載能力（即變電站的主變壓器輸出功率）而定。另外如果中頻的進線電抗器的電感值太小或有些用戶在因空心電抗燒毀而不用時，所造成的汙染會更大一些。今年，北方某地區曾治理過中頻電爐對電網的汙染，所有采用雙變壓器供電的中頻電爐必須采用十二相整流，由供電部門進行變壓器的改造（費用用戶自付），另外，我也知道因中頻設備造成的電網危害有多大，因為在我的周邊地區曾有過燒毀電視機的情況。*嚴重的一次燒毀電視機及其它電器達幾十台。

主題：中頻爐諧波實測資料之二

諧波對不少的儀表讀數是有很大的影響的，會使誤差增大，這在實際測試中能碰到。因此，有的儀表加裝了抗乾擾措施。

主題：中頻爐諧波實測資料之三

國標允許值的折算，請參見”電能質量公用電網諧波”（GB／T14549－1993）中附錄B諧波電流允許值的換算（補充件）

主題：要注意中頻電爐產生的高次諧波對電網的危害

中頻爐由於是經整流後變為中頻，其產生高次諧波對電網的危害很大，使一些電器設備損壞，特彆是電力電容器，對現有的中頻爐進行實測，冇有加裝電力濾波器的中頻爐均超過國標GB／T14549－93《電能質量公用電網諧波》中規定的允許值，又根據電力部的規定：”因電網或用戶用電原因引起的電能質量不符合國家標準時，按”誰乾擾，誰汙染，誰治理”的原則及時處理，並貫穿於電網及用電設施設計、建設和生產的全過程。”因此，目前電力部門已重點整治。希望中頻爐工廠引起重視。為了使加裝的電力濾波器能有較小的費用，在購中頻爐時，要中頻爐生產廠家提供中頻爐產生的諧波資料及保證條件。

主題：關於整流製式和高次諧波影響

關於整流製式和高次諧波影響：在存在可控整流的應用場合，不可避免地要在上級電網中產生高次諧波；一般說來，在考慮整流製式和高次諧波時應注意以下四個因素：

1．整流裝置的製式：大中容量中頻裝置常用的有三相六脈波全橋可控橋式整流，三相十二脈波雙全橋可控整流等等，一般來說同樣工況條件下，整流脈波數越大，高次諧波影響就越小。

2．電源裝置的容量：中頻裝置容量越大，在整流α角後移時高次諧波影響就越大，所以有關行業標準推薦1000KW以下的中頻裝置采用六脈波整流，1000KW以上的中頻裝置根據容量大小，采用12脈波、24脈波整流。

3．中頻裝置的工作狀態：對一定容量的中頻裝置，其輸出功率越接近滿功率，高次諧波影響就越小，其輸出功率比較小時，高次諧波與工頻基波的比值較大，所以在大功率中頻裝置選擇功率容量時，應儘可能使它與大多數工作時間的輸出功率相接近。

4．上**電網短路容量：上**電網短路容量大，對中頻裝置產生的高次諧波影響的承受能力就較強，反之高次諧波造成的影響就比較嚴重。

主題：關於整流製式和高次諧波影響

自然功率因數是補償前還是補償後的，這是兩個概念。COSθ指的是係統的自然功率因數，它反映了係統感性的程度，一般在0.05～0.25之間，逆變側補償後的功率因數一般用COSφ表示，在負的0.7～0.9之間。即工作在過補償工況，或者說負載回路工作在容性狀態。

主題：關於電磁乾擾

半導體整流設備的確存在對電網的汙染，這個問題不光在中頻感應設備上，采用移相方式整流的設備（如電鍍、直流調速，包括調光台燈）都有這個問題，這一點大家應該是形成共識的，不必要再討論。問題在於：這種汙染究竟到什麼程度、造成的損失有多大，是否必須消除，這是技術角度考慮。從經濟角度考慮，消除這種汙染的投入產出比怎麼樣。有些技術有一個接受的過程，超前不等於熱銷，市場接受能力如何，也是產品是否有銷路的主要問題。

1．一般認為造成汙染主要是高次諧波，汙染的途徑一是通過電力線汙染電網，二是通過空間輻射乾擾其他用電器和無線電設備，包括中頻設備感應圈使周圍導磁結構發熱。對於種汙染，變壓器作為一個大電感的電路元件，可以起到較好的隔離作用，對消除通過電力線汙染電網，這個作用是可以得到肯定的。不知道測試參數（雖然冇有看到）是在變壓器前邊還是變壓器之後，具體數量級是否到了非治理不可的程度。

2．如果當地對汙染問題（假設有）壓力不大，用戶肯定要考慮是否合算。是否要加這個設備，實際不由中頻設備生產廠家決定，因為這個成本還是要加到用戶開銷上，主要取決於用戶要求。也不見得因為有汙染問題，中頻設備就不用了，設備就賣不出去。中頻設備生產廠家不見得就害怕這個東西，大家討論也並不是要一棍子打死。

主題：要注意中頻電爐產生的高次諧波對電網的危害

一400KW中頻感應加熱設備，係由一台1250KVA變壓器供電，（1250KVA變壓器同時供應其他車間的設備用電）配電室內裝有容量約280KVAR補償電容櫃。當400KW中頻爐冇有工作時，280KVAR補償電容全部投入工作，其補償電流約為560A（正常）；當400KW中頻爐投入工作時，280KVAR電容全部投入工作，其補償電流約為700A，且其電流是隨中頻爐功率的提升從560A慢慢地上升到約700A（不正常）。”這是由於280KVAR補償電容使中頻爐流入電網諧波放大，280KVAR補償電容的電流中有較大的諧波電流，因此，從560A慢慢地上升到約700A，電容器會發熱或熔絲熔斷，有的會發出聲音。應安裝濾波裝置，既消除部分高次諧波。

主題：如何抑製中頻爐的諧波乾擾

據以往我們測量的數據可知，0.75噸的中頻爐的平均功率在450KW，無功功率在180KVAR左右。諧波電壓畸變率一般在15％左右，諧波頻譜主要集中在250HZ，大約在130A左右，350HZ大約在60A左右。如果對5次和7次采取濾波措施，則可以保證大部分的諧波電流被吸收，保證上**電網的用電**。該濾波器采用LC濾波基本原理，在濾波的同時補償電網的功率因數，可以達到非常滿意的效果。