谐波对石油化工企业电网的危害及其治理方案

西安赛博电气有限责任公司

1 背景说明

某石油化工股份公司是以生产聚烯烃树脂为主的大型石油化工企业，集科研开发为一体的特大石油化工企业，其属下石油化工塑料厂主要生产高压聚乙烯、低压聚乙烯、线性聚乙烯、聚丙烯四大类固体产品，由于生产需要，在低压配电系统变压器二次侧的设备主要是电动机、变频器。

在生产过程中，经常出现继电保护误动作、电容柜损坏等问题，由于继电误保护给生产带来很多危害，尤其造成较大的经济损失；电容经常损坏，曾作过改造，在电容之路中串入电感器，但效果不甚理想。

针对塑料厂出现问题，由西安赛博电气有限责任公司对其电能质量情况进行分析以及实地测试，并根据情况提供方案，最终较好的解决了出现的供电问题，将系统潜在危害降到最低。

2理论分析

由于生产需要，塑料厂使用了大量的变频设备，变频器属于非线性负载，在其工作过程中将产生谐波电流，以下将对变频器产生谐波电流情况进行理论分析。

一般情况下变频器的整流部分一般为三相全波不可控整流，直流回路采用大电容作为滤波器。这样，虽然变频器的网侧输入电压波形基本上是正弦波，但输入电流是脉冲式的充电电流，含有丰富的谐波。其波形如图1所示。

图1 变频器的输入电压和电流波形

    变频器使用的整流方式为三相桥式整流，其原型可如图2所示：

图2 三相桥式整流电路

如需要完整计算出上述模型的谐波含量，则电路中的电感和电容器以及等效有功的大小必须为已知，但上述数据只能知道等效有功，所以将模型等效为阻感负载的三相桥式整流电路进行计算。

a）电路                                      b）交流侧电流的频谱

图3  忽略换相过程和电流脉动时阻感负载、三相桥式整流电路及其波形和频谱

阻感负载的三相桥式整流电路忽略换相过程和电流脉动时如图3所示。同样，交流侧电抗为零，直流电感L_d为无穷大。设电源为如下三相平衡电源

           (1)

交流侧电压和电流波形如图3a所示。同样，E_m和E分别为电源电压的幅值和有效值，a为控制角。由于变频器使用的是二极管整流，相当于晶闸管的控制角为a，电流为正负半周各120°的方波，三相电流波形相同，且依次相差120°，其有效值与直流电流的关系为：

                                        (2)

同样可将电流波形分解为傅立叶级数。以a相电流为例，如图所示，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，则有：

               (3)

若以a相电压过零点为时间零点，则有：

            （4）

可见，不论时间原点的位置取在哪里，因为波形未变，所以基波和各次谐波的幅值也不变，只是如果时间原点左移了α角，则基波初相减少了α，各次谐波分量的初相角减少了nα。

　　由式(3)可得电流基波和各次谐波有效值分别为：

                                 (5)

由此可得以下简洁的结论：电流中仅含6k±1（k为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

由式(2)和(3)可得基波因数为：

                                                 (2.5)

由式（2.4）可得谐波电流为：

即变频器的谐波将占总电流的29.65%左右。对于一台200kW变频器，其额定电流为300A，产生的谐波电流为300×29.65%=89A。

  以上仅是通过简化的方法对理想情况下变频器的谐波含量进行了分析，实际情况下变频器的工作过程较为复杂，谐波含量会有一些或大或小的变化。