电能质量治理行业应用解决方案之汽车制造

一、概述

随着电力电子的飞速发展，非线性负载（如：节能灯、空调、电动机调速设备、不间断电源、整流器、焊接设备、电弧炉、数控机床、充电机等）的广泛应用，给生产和生活带来了极大的便利，但同时对电网电能质量的影响和威胁与日俱增。当前电网电能质量问题主要表现为：谐波污染、功率因数不足、三相不平衡、电源暂降和电压波动及闪变等，直接威胁电网安全稳定运行。

二、电能质量定义：

电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量、用电质量。IEEE第22标准委员会定义了如下相关电能质量问题：

• 电压跌落：电压或电流的有效值减少到额定值的0.1-0.9，持续时间为0．5个周期至1分钟，系统频率仍为标称值。
• 电压中断：在一定的时间范围内线路单相或多相失去电压(低于额定值的0．1)。 按持续时间长短，分为瞬时断电（0．5周期至3秒）、暂时断电（3秒至60秒）和持续断电（大于60秒）。
• 谐波和间谐波：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流称为谐波，含有基波非整数倍频率的正弦电压或电流则为间谐波。谐波是电力系统和电力负荷设备的非线性特性造成的。间谐波主要是由感应电机、静止变频器、周波变频器和电弧设备产生的。间谐波会使照明装置引发视觉闪变。

电压波动(闪变)：电压波动是电压幅值在正常的变化范围内(额定值的 90％-110％)有规律或随机的变化，电压波动会产生6—14Hz左右的照明闪烁，此种现象称为闪变。电压波动和闪变主要由工业负荷造成的，如电焊接机、轧钢厂以及电弧炉等。闪变是人们对照明波动的主观感受，是衡量电压波动时对用电设备的影响的一个重要而有效的指标。

三、电能质量问题的危害:

电能质量的下降不仅会影响供电系统的正常安全供电，同时也会给用电系统带来各种各样的危害，直接影响着人身安全和经济效率，因此电能质量问题有着较严重的后果，具体表现在：

ü 电压的波动和闪变

会造成用电设备工作不稳定，由于电压发生波动，使电压幅值超出容许范围。另外由于电弧炉炼钢运行时造成的电压波动，将会使旋转电机产生附加损耗，会降低电机的工作效率和寿命。

• 电压的短时中断

典型的瞬态电压偏差，通常是由于雷电、强风等外界环境影响引起的，也有可能是内部设备或控制装置误动作。基于计算机、微处理器控制的各种精密仪器和设备的大量使用，对供电质量的敏感程度不断增加。IBM公司的市场调查表明，48．5％的计算机数据丢失是由于电能质量引起的。

• 谐波的危害

1)谐波增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率；

2)谐波会使电气仪表的测量结果不正确；

3)谐波会影响甚至严重影响用电设备的正常工作，比如谐波对电机产生附加转矩，导致不希望的机械震动、噪声，还会引入附加铜损、铁损，以及过电压，导致局部过热，绝缘老化，缩短设备使用寿命；

4)谐波会导致继电保护和自动装置等保护设备的误动作；

5)谐波会对邻近的通信系统造成明显的干扰，降低通信质量。当谐波频率与系统的固有频率相等时，会产生并联谐振，使谐波放大几倍，甚至几十倍。

• 无功功率不足

无功功率主要是降低了发电设备和输电设备的使用效率，增加了设备的容量，同时设备及线路损耗也会增加。无功功率还会使线路和变压器的电压降增大。如果是冲击性无功负载，还会使电网电压产生剧烈波动，严重影响供电质量。典型的现象有时钟自动复位，计算机死机，可编程控制器工作异常，通信系统工作不正常，中线过热电容器，过热损坏电机，损耗增大出力降低，仪表计量不准，继电保护和自动装置误动作，设备绝缘老化，加速线损和变压器损耗。

• 三相不平衡

1)使旋转电机产生附加发热和振动，对安全运行和正常出力有很大的影响：

2)使半导体变流设备产生附加的谐波电流(非特征谐波)；

3)引起以负序分量为启动组件的多种保护发生误动作(特别是当电网中同时存在谐波时)，会对电力系统的安全运行产生严重威胁；

4)在低压配电线路中，会影响计算机正常工作，引起照明电灯寿命缩短（电压过高）或照度不足（电压过低）以及电视机的损坏等；

5)三相不平衡同样会使电网损耗增加；对于通信设备，会增大对其的干扰，影响正常通信质量。

四、电能质量改善效益：

1、提高企业设备的供电质量，提高设备运行的可靠性，减少因设备误动作而造成的经济损失；

2、降低用电设备发热，减少绝缘老化，从而提高设备的使用寿命，减少设备的维护费用；

3、减少电网中补偿电容器的谐振几率，提高用电安全。同时，减少谐波对系统信号传输的影响，增加系统的可靠性；

4、保证系统功率因数达到国家标准，避免因为功率因数低导致的电费罚款；

5、减少有功损失和电压降落，释放变压器、发电机容量，从而降低设备投资；

6、有效避免中线局部发热老化，甚至是火灾的风险；

7、避免因局部电压不平衡，引起的设备误报警；

8、避免零地电压偏高而导致控制系统弱电设备烧毁的风险。

五、汽车制造行业案例

随着汽车行业自动化水平的不断提高，各种生产设备对电网的供电质量的要求越来越高。自动化流水生产线应用大量非线性用电设备，其种类和数量迅速增加，系统中产生大量的无功功率，造成系统功率因数低。同时，在工作过程中也产生大量谐波，引起线路电压大幅度波动，降低电能质量，对自身及其它设备的安全、稳定运行构成潜在的威胁。这些非线性负荷工作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。

Ø 典型负载

汽车制造的生产工艺中采用了大量的冲击性、非线性负荷，例如车身车间的电焊机、激光焊机；冲压车间的冲压机；油漆车间的变频装置；总装车间的自动生产线等，这些冲击性、非线性负荷都有一个共同特点，就是负荷波动大，谐波含量也大。

Ø 主要电能质量问题

从谐波角度来说，汽车车身车间、冲压车间等车间变压器负荷电流都存在严重的谐波电流，以3次、5次、7次、11次、13次谐波为主，谐波电流总畸变率一般在40％以上，造成低压供配电系统电压总谐波畸变率严重超标，并导致了用电设备和变压器存在严重的谐波功率损耗。
从功率因数角度来说，汽车制造行业的各主要装配车间的变压器功率因数都比较低，同时存在严重的三相不平衡和无功冲击现象。部分变压器平均功率因数仅为0.6左右。系统损耗大，能源浪费严重。因此，在变压器的低压侧安装无功补偿装置必不可少。但普通无功功率补偿装置未充分考虑到系统存在的谐波，导致无功补偿设备不能正常投切，并且铁磁元件在谐波电流作用下发热严重，并伴有严重的铁磁震动现象。同时，由于普通无功补偿装置存在动态响应时间长和投切精度低等原因，导致了低压母线长期存在过补和欠补等问题。由于存在大量的谐波电流和大量的无功功率需求，导致很多变压器发热严重，正常运行期间，变压器温度可达到80℃以上。

Ø 电能质量治理解决方案

针对汽车制造过程中，出现的电能质量问题，治理解决方案：例如车间配置2台1250KVA配电变压器，电能质量配置方案如下：

谐波电流估算补偿容量＝变压器额定电流*谐波畸变率＝1804*0.8*40%＝577A（配置为600A有源滤波器）

无功补偿容量＝变压器额定容量*0.8*（tgφ- tgφ’）＝1250*0.8*（1.02－0.33）＝690kVar（配置为700kVar无功补偿容量，补偿前功率因数0.7，补偿后功率因数0.95）