APF与节能减排分析
深圳市英纳仕电气有限公司
应用与工程部
2011-12-16
1．谐波
在理想的情况下，优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压，但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。

我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率（在我国取工业用电频率50Hz为基波频率）整数倍的正弦分量又称为高次谐波。

在供电系统中产生谐波根本原因是由于给具有非线性阻抗特性的电气设备（又称为非线性负荷）供电的结果。

这些非线性负荷在工作中时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使电力质量变坏。

2．谐波源
在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

在发电环节中对发电机的接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。

谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备。

（1）具有铁磁饱和特性的铁芯设备如：变压器、电抗器等；
（2）以具有强烈非线性特性的电弧现象的设备如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；
（3）以电力电子元件为基础的电源的设备如：各种电力交流设备（整流器、逆变器、变频器）、相控调速和调压设备，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气化铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器和办公类设备中。

3．谐波危害
3.1增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。

由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频率电流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗，使
导体的发热严重。

（1）对旋转电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。

由于集肤效应、磁带、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。

谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大。

但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴震动的问题。

（2）对变压器的影响
谐波电流使变压器的损耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角连接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。

（3）对输电线路的影响
由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。

在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。

在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。

谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。

输电线路存在着分布的线路电感和对地电容。

它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。

一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较大。

当注入电网的谐波的上频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。

在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继点保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可以产生相当大的谐波网损。

对于电力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20倍，而感抗约架空线路的1/2-1/3，因此更容易激励出较大的谐波振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。

（4）对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。

另一方面，电容器的电容与电网的感抗组的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分谐波分量的频率时，就会产生谐波放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行，甚至
损坏。

3.2影响继电和自动装置工作的可靠性
谐波对电力系统中以负序（基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这负序（基波）量整定的保护装置整定值小、灵敏度高。

如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰（如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源）则会引起发电机负序电流保护误动（若误动引起跳闸则后果严重），变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压保护误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全进行。

3.3使测量和计量仪器的指示和计量不准确
由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。

在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源虽然污染了电网，却反而少交电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。

电子式电能表更不利于供电部门而有利于非线性负荷用户。

3.4干扰通信系统的工作
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。

另外高压直流域（HVDC）换流站换相过程中产生的电磁噪声（3-10KHZ）会干扰电力载波通信的正常工作，并利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失损，影响电网运行的安全。

3.5对用电设备的影响
谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。

对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。

对于采用晶闸管的变速
装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。

4、谐波在配电系统中负载和计量的影响以及采用APF治理后的变化4.1 配电简图：
4.2、回路1治理前计量和设备的影响。

4.2.1、无APF：
4.2.2、投入APF
4.2.3 APF投入前后比较
4.2.4、总结
对于回路1的情况通过对比，将APF安装在非线性支路上治理对电网设备的保护等效果较好。

如果在变压器二次侧统一治理对线性负载起不到保护作用，但工厂配电没能做到线性负载和非线性负载分开的情况下只能在变压器二次侧统一治理。

APF的投资回报不能单纯从节约多少电费来计算回报，单纯从节约电费的回报率不高甚至没有，而且如果是支路计费的话对谐波支路会出现不降反升的情况。

APF的投资回报应从这个配电系统的节能降耗来计算投资回报，即高压侧的计量以及设备的维修费和使用寿命来计算。

降耗是主要的回报，即降低设备的损
耗这块。

由于整个配电系统的电器维修维护费用不好统计，但是配电系统的维修维护费用是容易统计出来的，即只计算电容补偿柜的维修费用，变压器的维护费用和寿命。

如有可能的话可以采用，安装APF顺带承包配电的设备维修这块一起签订维修合同的方式推广，通过在APF安装前几年的年维修费用，计算出平均年维修费，和回报周期，加上节能的百分比。

何其签订每年多少维修费的维修合同方式，回报率较高，不过此方式存在一个原因设备如果在损坏临界状态的风险，而且需要一定数量的工程设备服务人员。

但队伍培养出来了也可以成立一个专为企业做维修的队伍来承包企业设备维修来拓展公司业务。

4.3、回路2治理前计量和设备的影响。

作为中频炉和直流电弧炉均有整流回来而且，电流较大，谐波电流也大，加入APF后能明显改善变压器的运行状况和对电容补偿柜和变压器起到很好的保护作用。

由于消除谐波后变压器的铁损铜损会得到很好的改善，电能的计量在高压侧下降明显，但低压侧变化不大，可能会出现略有上升的情况。

设备的运行这块由于整流后逆变后（或直接直流供给炼钢炉）所以谐波治理前后对冶炼炉的运行影响不明显。

变压器和电容补偿柜的运行都会得到很好的改善延迟器使用寿命。

降低维护成本。

4.4、回路3治理前计量和设备的影响。

由于电弧的不稳定性照成谐波已经功率因素的变化较大，对补偿电容的损害很大，加热APF后能能很好的对补偿柜和变压器起到保护作用，而且能稳定电弧，减少电极的消耗提高产品质量，以及缩短冶炼时间。

变压器和电容补偿柜的运行都会得到很好的改善延迟器使用寿命。

降低维护成本。

电能的计量在单位时间高压侧会有所下降，但低压侧变化不大，可能会出现略有上升的情况。

，但是由于APF对谐波的治理能缩短冶炼时间，单位产量的电能消耗下降会很明显，并且产品质量得到提升，有很好的节能降耗效益。

综上所述APF的推广，必须从电网治理，节能降耗的全方面来推广，节能降耗是比较直接的投资回报，电网治理是设备安全运行保障生产的间接的投资回报。

5、应用实际案例
深圳市英纳仕电气有限公司推出的iNAS-JD-400在松山韶钢股份有限公司3吨中频炉中成功应用，节电效果显著。

当采用常棍法炼铁时，节电率达10%，产生良好的经济效益。