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冶煉企業(yè)使用中頻爐的危害性及其諧波治理方法
您的位置： 中頻爐|感應加熱|熔鋼爐|熔鋁爐|熔銅爐|熔鉛爐|洛陽(yáng)萬(wàn)峰工業(yè)爐有限公司-常見(jiàn)問(wèn)題冶煉企業(yè)使用中頻爐的危害性及其諧波治理方法
廠(chǎng)家：冶煉企業(yè)使用中頻爐的危害性及其諧波治理方法 日期：：2020-01-18 瀏覽次數： 108
面對欽 li市配電網(wǎng)諧 波治理的嚴峻形勢 ，本 文介 紹 了一種針 對冶金 類(lèi)用戶(hù)諧 波治理的方法 ，該方 法在 用戶(hù) 系統低 f-,．4~0采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補償 系統進(jìn)行補償 ，該 系統能在極短的 時(shí)間之 內完成從額定容性 無(wú)功到額 定感性無(wú)功 的相互轉換 ，以此來(lái)滿(mǎn) 足對 沖擊性 負荷的補償 ，進(jìn) 而實(shí)現對此類(lèi) 用戶(hù)中頻爐諧波的有效治理. 同樣的中頻爐的諧波治理也很重要。
目前，欽州市的大規模企業(yè)大部分為冶煉企業(yè)和使用大 電機的能耗型企業(yè)，這些企業(yè)廣泛地使用非線(xiàn)性負荷 ，用電負 荷 占欽州網(wǎng) 區負荷的比重 又很 大 ，給欽 州市配 電網(wǎng)帶來(lái) 了嚴 重的電力污染 ，而且各類(lèi)非線(xiàn)性 負荷 注入 電網(wǎng)的諧波還呈 日 益增多的態(tài)勢，使變電和用電設備的效率降低，加速電氣設備 絕 緣老化 ，造成 設備絕緣擊穿 ，嚴重地威 脅著(zhù) 欽州市 電網(wǎng)的安 全穩定運行 ，因此諧波治理 已成為欽 州供電局及其相關(guān)技 術(shù) 人員迫切需 要解決 的重要課題之一 。
在電力系統中，當工頻電壓或電流作用于非線(xiàn)性負載時(shí)， 會(huì )產(chǎn)生不 同于工頻 的非正 弦電壓或電流 ，在對周期性非 正弦 電量進(jìn)行傅立 葉級數分解 時(shí) ，除了得到與電 網(wǎng)基波頻 率相同 的分量 ，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量 被稱(chēng)為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn／f1)稱(chēng)為諧波次 數。諧波實(shí)際上是一種干擾量 ，使電網(wǎng)受到“污染”，其頻率范 圍一般為 2≤n≤40。
諧波對旋轉設備和變壓器會(huì ) 引起附加損耗和發(fā)熱增加 ，此 外還會(huì )引起旋轉設備 和變壓器振動(dòng)并發(fā) 出噪聲，長(cháng)時(shí)間的振動(dòng) 會(huì )造成金屬疲勞和機 械損壞 。
諧波注入 電網(wǎng)后 ，在 電網(wǎng)中以 2≤n≤40次諧波在 電網(wǎng)中 傳輸 ，和基波電流疊加后形成大于正常 電流 的混雜 電流 ，加 大 輸電線(xiàn)路的損耗 ，降低供電部門(mén)的供電效益 ，造成能源浪費。
諧波可引起系統的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大，當諧 波 引起 系統諧振時(shí)，諧 波電壓升高，諧 波電流增 大，引起 繼電保 護及 自動(dòng)裝置誤動(dòng)，損壞系統設備(如電力電容器、電纜、電動(dòng) 機等1，引發(fā)系統事故威 脅電力系統的安全運行。
諧波可干擾通信設備 ，造成重要 的敏感 的 自動(dòng)控制與保護 裝 置工作紊亂 ，還會(huì ) 影響無(wú)線(xiàn) 電發(fā)射系統 、雷達 系統 、核磁共 振等設備的工作性能，造成噪聲干擾和圖像紊亂。
目前治理諧 波的方法 主要有兩種 ，即有源濾波和無(wú)源濾 波 ，其中無(wú)源濾波主要通過(guò)增加無(wú)源濾波設備，使諧波流入無(wú) 源濾波設備 而不注入 電網(wǎng) ，另外有 源濾 波就 是采 用有源濾波 設備，產(chǎn)生和現存諧波相反的諧波，使之互相抵消，本文介紹 的內容為無(wú)緣濾波的方法。
冶金類(lèi) 用戶(hù) 多采 用中頻爐進(jìn)行 冶煉 ，中頻爐是一種將工 頻 50HZ交流 電轉變?yōu)橹蓄l (300HZ以上至 1000HZ)的電源裝 置 ，把三相工頻交流 電整流后變成直流電 ，再 把直流電變?yōu)榭?調 節的中頻 電流 ，供 給由電容 和感應線(xiàn) 圈里 流過(guò)的中頻交變 電流 ，在感應 圈中產(chǎn)生高密度的磁力線(xiàn) ，并切割感應圈里盛放 的金屬材料 ，在金屬材料 中產(chǎn)生很大 的渦流 ，以達到熔煉材料 的效果 。 由于中頻 爐在使用 中產(chǎn)生 大量 的諧 波 ，導致電網(wǎng) 中的諧 波污染非常嚴重，因此針對中頻爐的諧波治理就顯得尤為重 要 ，要治理這種大諧 波源 主要通過(guò)以下 步驟進(jìn)行 ：
中頻爐的整流裝置多為6脈動(dòng)可控整流，整流裝置所產(chǎn) 生 的諧波為 6K+1次奇次諧 波 ，采用傅立 葉級數對 電流進(jìn)行分 解變換，可知電流波形含有 6K±1次高次諧波，在實(shí)際應用中 ，不僅需 要進(jìn)行理論計算 ，還需 對 中頻爐進(jìn)行 測試 ，以最終 確定治理方案。 3．1．1 諧波電流理論計算 目前使用的中頻爐一般為全控橋整流方式，對于全控可 控硅整流器產(chǎn)生 的特征諧波電流的諧波次數一般含有 ： fh=(pm ±1)f． (1) 各次諧波有效值為 I= I (2) fl 式 中，h為特征諧波次數 h=pm±1,fh和 I為第 h次諧波電流的頻率和有效值 ，￡和 I為基 波電流頻率和有效值 ，P為整流器脈動(dòng)數 ，p=6或 12、或 24。m為正整數 。 本 中頻爐為 3相全控橋整流方式 ，p=6，對 于 p=6的整流 器 ，特征諧波次數 h=5、7、11、13、17、19…… 對于諧波為 I=(Kl1，h)·I1，h為諧波次數 ，K 為諧波有效 值減小系數，其經(jīng)驗數據如表 1所示
國家標準 GB／T14549—93中推薦 ，兩個(gè)諧波源的同次諧波 電流在 同一地點(diǎn) 的同一相上疊加 ，當相 位不 確定 時(shí)可按下式 進(jìn)行計算 ：Ih=、／Ih1+I}l22+Kh1IhlI}l2 式 中 Kh系數按表 2選取 。I 和 I分別為諧波源 1和 2的 第 h次諧波 電流 ，單位為 A。
兩個(gè)以上同次諧波 電流疊加時(shí) ，首先將兩個(gè)諧波 電流疊 加，然后與第三個(gè)諧波電流相疊加，以此類(lèi)推。 3．1．2 濾波特性 理論計算 濾波器 的總阻抗計算方法如下 ： z、／R02+(H?！?tJ’L一 式中 ： zfI．一 濾波器對應于濾波通道次數為 h。的頻率下的總阻 抗 Q； R廠(chǎng)一 濾波器 回路的總直流 電阻 Q； I一 電感值 H； c—— 電容值 F； h一 濾波通道次數 ； 選擇合適的 Rc值可滿(mǎn)足所要求的濾波效果。 3．1_3 測量信號的抽取
首先將變壓器低壓側測量電流互感器的二次回路試驗端子 接入電能質(zhì)量分析儀的電流輸入端 ，既完成測量信號的接人 ，再 對測量?jì)x器進(jìn)行設置：用 DZ一4電能質(zhì)量分析儀測量，將儀器設置 為 自動(dòng)定時(shí)測量方式 ，每?jì)纱螠y量間隔為一分鐘，設置諧波次數 為第 2～25次 ，進(jìn)行一爐煉鋼周期的連續諧波測量。
測量完畢后利用儀器的后臺分析功能 ，對定時(shí)測量的存 盤(pán)數據文件作統計分析 ，得到各次諧 波的 95％概率值 、最大 值 、最小值和平均值 ，并 以最大相的 95％概率值作為最終測量 結果 ，與國標 的限值或允許值 比較來(lái)確定諧波 電流是否超標 。
中頻爐 的工作過(guò) 程可分為初加熱過(guò) 程和正 常工 作過(guò)程 ， 初加熱過(guò)程持續時(shí)問(wèn)短，但高次諧波比較豐富，而在整個(gè)過(guò)程 中正常工作占大部分時(shí)間，其中正常工作過(guò)程時(shí)電流大，諧波 含量 大 ，主要包含 的諧 波成分是 5次 、7次 、11次 、13次 ，其 中 一 般 以 5次諧波 為最大 ，電壓畸變嚴重 ，因此 ，綜上 因素考慮 濾 波裝 置設 計 5次 、7次 、11次三條 Lc濾波支路 ，吸收 5、7、 11次及 以上次數的諧波 。
根據理論計算及現場(chǎng)測試結果 ，可確定在配 電變壓器低 壓側 的無(wú)功補償容量 。
欽州市某 冶金設 備有限公司使用一 臺 1．5T的 中頻爐 ，采 用 3相全控橋整流方式 ，根據理論計算并進(jìn)行現場(chǎng)測試 ，i亥用 戶(hù)諧波 電壓、電流嚴重超標． 主要是 5次 、7次 、11，13次諧波 為主導 ，功率 因素僅為 0．78，功率 因數嚴重偏低 ，采用本文介紹 的方法增加無(wú)功補償設備后 ，功率 因素提高至 0．93，取得 了良 好 的效果 。
洛陽(yáng)萬(wàn)峰工業(yè)爐生產(chǎn)中頻爐暢銷(xiāo)海內外，適用于熔煉各種金屬，歡迎來(lái)詢(xún)。
目前，欽州市的大規模企業(yè)大部分為冶煉企業(yè)和使用大 電機的能耗型企業(yè)，這些企業(yè)廣泛地使用非線(xiàn)性負荷 ，用電負 荷 占欽州網(wǎng) 區負荷的比重 又很 大 ，給欽 州市配 電網(wǎng)帶來(lái) 了嚴 重的電力污染 ，而且各類(lèi)非線(xiàn)性 負荷 注入 電網(wǎng)的諧波還呈 日 益增多的態(tài)勢，使變電和用電設備的效率降低，加速電氣設備 絕 緣老化 ，造成 設備絕緣擊穿 ，嚴重地威 脅著(zhù) 欽州市 電網(wǎng)的安 全穩定運行 ，因此諧波治理 已成為欽 州供電局及其相關(guān)技 術(shù) 人員迫切需 要解決 的重要課題之一 。
在電力系統中，當工頻電壓或電流作用于非線(xiàn)性負載時(shí)， 會(huì )產(chǎn)生不 同于工頻 的非正 弦電壓或電流 ，在對周期性非 正弦 電量進(jìn)行傅立 葉級數分解 時(shí) ，除了得到與電 網(wǎng)基波頻 率相同 的分量 ，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量 被稱(chēng)為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn／f1)稱(chēng)為諧波次 數。諧波實(shí)際上是一種干擾量 ，使電網(wǎng)受到“污染”，其頻率范 圍一般為 2≤n≤40。
諧波對旋轉設備和變壓器會(huì ) 引起附加損耗和發(fā)熱增加 ，此 外還會(huì )引起旋轉設備 和變壓器振動(dòng)并發(fā) 出噪聲，長(cháng)時(shí)間的振動(dòng) 會(huì )造成金屬疲勞和機 械損壞 。
諧波注入 電網(wǎng)后 ，在 電網(wǎng)中以 2≤n≤40次諧波在 電網(wǎng)中 傳輸 ，和基波電流疊加后形成大于正常 電流 的混雜 電流 ，加 大 輸電線(xiàn)路的損耗 ，降低供電部門(mén)的供電效益 ，造成能源浪費。
諧波可引起系統的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大，當諧 波 引起 系統諧振時(shí)，諧 波電壓升高，諧 波電流增 大，引起 繼電保 護及 自動(dòng)裝置誤動(dòng)，損壞系統設備(如電力電容器、電纜、電動(dòng) 機等1，引發(fā)系統事故威 脅電力系統的安全運行。
諧波可干擾通信設備 ，造成重要 的敏感 的 自動(dòng)控制與保護 裝 置工作紊亂 ，還會(huì ) 影響無(wú)線(xiàn) 電發(fā)射系統 、雷達 系統 、核磁共 振等設備的工作性能，造成噪聲干擾和圖像紊亂。
目前治理諧 波的方法 主要有兩種 ，即有源濾波和無(wú)源濾 波 ，其中無(wú)源濾波主要通過(guò)增加無(wú)源濾波設備，使諧波流入無(wú) 源濾波設備 而不注入 電網(wǎng) ，另外有 源濾 波就 是采 用有源濾波 設備，產(chǎn)生和現存諧波相反的諧波，使之互相抵消，本文介紹 的內容為無(wú)緣濾波的方法。
冶金類(lèi) 用戶(hù) 多采 用中頻爐進(jìn)行 冶煉 ，中頻爐是一種將工 頻 50HZ交流 電轉變?yōu)橹蓄l (300HZ以上至 1000HZ)的電源裝 置 ，把三相工頻交流 電整流后變成直流電 ，再 把直流電變?yōu)榭?調 節的中頻 電流 ，供 給由電容 和感應線(xiàn) 圈里 流過(guò)的中頻交變 電流 ，在感應 圈中產(chǎn)生高密度的磁力線(xiàn) ，并切割感應圈里盛放 的金屬材料 ，在金屬材料 中產(chǎn)生很大 的渦流 ，以達到熔煉材料 的效果 。 由于中頻 爐在使用 中產(chǎn)生 大量 的諧 波 ，導致電網(wǎng) 中的諧 波污染非常嚴重，因此針對中頻爐的諧波治理就顯得尤為重 要 ，要治理這種大諧 波源 主要通過(guò)以下 步驟進(jìn)行 ：
中頻爐的整流裝置多為6脈動(dòng)可控整流，整流裝置所產(chǎn) 生 的諧波為 6K+1次奇次諧 波 ，采用傅立 葉級數對 電流進(jìn)行分 解變換，可知電流波形含有 6K±1次高次諧波，在實(shí)際應用中 ，不僅需 要進(jìn)行理論計算 ，還需 對 中頻爐進(jìn)行 測試 ，以最終 確定治理方案。 3．1．1 諧波電流理論計算 目前使用的中頻爐一般為全控橋整流方式，對于全控可 控硅整流器產(chǎn)生 的特征諧波電流的諧波次數一般含有 ： fh=(pm ±1)f． (1) 各次諧波有效值為 I= I (2) fl 式 中，h為特征諧波次數 h=pm±1,fh和 I為第 h次諧波電流的頻率和有效值 ，￡和 I為基 波電流頻率和有效值 ，P為整流器脈動(dòng)數 ，p=6或 12、或 24。m為正整數 。 本 中頻爐為 3相全控橋整流方式 ，p=6，對 于 p=6的整流 器 ，特征諧波次數 h=5、7、11、13、17、19…… 對于諧波為 I=(Kl1，h)·I1，h為諧波次數 ，K 為諧波有效 值減小系數，其經(jīng)驗數據如表 1所示
國家標準 GB／T14549—93中推薦 ，兩個(gè)諧波源的同次諧波 電流在 同一地點(diǎn) 的同一相上疊加 ，當相 位不 確定 時(shí)可按下式 進(jìn)行計算 ：Ih=、／Ih1+I}l22+Kh1IhlI}l2 式 中 Kh系數按表 2選取 。I 和 I分別為諧波源 1和 2的 第 h次諧波 電流 ，單位為 A。
兩個(gè)以上同次諧波 電流疊加時(shí) ，首先將兩個(gè)諧波 電流疊 加，然后與第三個(gè)諧波電流相疊加，以此類(lèi)推。 3．1．2 濾波特性 理論計算 濾波器 的總阻抗計算方法如下 ： z、／R02+(H?！?tJ’L一 式中 ： zfI．一 濾波器對應于濾波通道次數為 h。的頻率下的總阻 抗 Q； R廠(chǎng)一 濾波器 回路的總直流 電阻 Q； I一 電感值 H； c—— 電容值 F； h一 濾波通道次數 ； 選擇合適的 Rc值可滿(mǎn)足所要求的濾波效果。 3．1_3 測量信號的抽取
首先將變壓器低壓側測量電流互感器的二次回路試驗端子 接入電能質(zhì)量分析儀的電流輸入端 ，既完成測量信號的接人 ，再 對測量?jì)x器進(jìn)行設置：用 DZ一4電能質(zhì)量分析儀測量，將儀器設置 為 自動(dòng)定時(shí)測量方式 ，每?jì)纱螠y量間隔為一分鐘，設置諧波次數 為第 2～25次 ，進(jìn)行一爐煉鋼周期的連續諧波測量。
測量完畢后利用儀器的后臺分析功能 ，對定時(shí)測量的存 盤(pán)數據文件作統計分析 ，得到各次諧 波的 95％概率值 、最大 值 、最小值和平均值 ，并 以最大相的 95％概率值作為最終測量 結果 ，與國標 的限值或允許值 比較來(lái)確定諧波 電流是否超標 。
中頻爐 的工作過(guò) 程可分為初加熱過(guò) 程和正 常工 作過(guò)程 ， 初加熱過(guò)程持續時(shí)問(wèn)短，但高次諧波比較豐富，而在整個(gè)過(guò)程 中正常工作占大部分時(shí)間，其中正常工作過(guò)程時(shí)電流大，諧波 含量 大 ，主要包含 的諧 波成分是 5次 、7次 、11次 、13次 ，其 中 一 般 以 5次諧波 為最大 ，電壓畸變嚴重 ，因此 ，綜上 因素考慮 濾 波裝 置設 計 5次 、7次 、11次三條 Lc濾波支路 ，吸收 5、7、 11次及 以上次數的諧波 。
根據理論計算及現場(chǎng)測試結果 ，可確定在配 電變壓器低 壓側 的無(wú)功補償容量 。
欽州市某 冶金設 備有限公司使用一 臺 1．5T的 中頻爐 ，采 用 3相全控橋整流方式 ，根據理論計算并進(jìn)行現場(chǎng)測試 ，i亥用 戶(hù)諧波 電壓、電流嚴重超標． 主要是 5次 、7次 、11，13次諧波 為主導 ，功率 因素僅為 0．78，功率 因數嚴重偏低 ，采用本文介紹 的方法增加無(wú)功補償設備后 ，功率 因素提高至 0．93，取得 了良 好 的效果 。
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