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工业企业有源谐波治理解决方案序 言理想的电力系统应以恒定的频率（50Hz）和正弦波形，按规定的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差 120对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、电动机、线路等等)参数并不是理想线性或对称的，加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性及运行操作等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，因此就产生了电能质量（Power Quality）的问题。电能质量与一般产品质量不同，其不完全取决于电力生产企业，一些电能质量指标（例如谐波，电压波动和闪变，三相电压不平衡）往往是由用户侧干扰所造成的。近年来，电力电子技术领域的发展异常迅猛，大量使用大功率电力电子装置是必然趋势，但是，作为供电电源与用电设备间的非线性接口电路，在完成（实现）功率控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免地产生非正弦波形，向电网注入谐波电流，使公共连接点( PCC )的电压波形严重畸变，产生很强的电磁干扰( EMI )。并且随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置潜在的负作用会日益突出，带来了电网公害谐波污染，其影响面更大距离更远，现已成为现代电力系统的一大重要问题。由于谐波问题逐渐被人们认识和了解，从其产生的原因，分析计算的方法，危害与影响的机理，测量与仿真标准的制定，综合治理的实施等方面的探索在不断深入，人们发现电力系统谐波做为电工学科的一个分支技术，还广泛渗透和交叉在其它相关学科领域中，是一门新兴的跨学科的尚待加强的重点研究方向，它涉及到：电力系统及其运行，负荷模型，信号分析与处理，通讯技术，电力电子学，电机学、电磁兼容性以及质量管理和控制等等许多方面。在此，xxx和xxx非常荣幸能为石家庄xxx股份有限公司提供专业电能质量治理及节电技术服务，我们期盼着以最先进的电效技术和最优秀的工程服务与xxx股份有限公司尽快展开合作。目 录第一章 电能质量现状61.1 电能质量测试61.1.1 测试数据61.1.2 测试数据分析81.2 审计结果分析9第二章 解决方案描述132.1设计思路132.2 项目目标132.3 安全保证142.4 系统设计标准依据15第三章 产品组成及综合效益分析163.1 产品布控图163.2 产品配置163.3 投资总额说明16第四章 产品介绍17第五章 有关保修20第一章 电能质量现状目前，xxx为了实现工业自动化及控制需要，在设备中使用大量变频器等非线性设备，电能质量污染（以谐波为主）已造成变压器继电保护多次误动或拒动；电容补偿柜无法投入；干扰精密设备的控制系统误动作，严重危害工厂生产的正常运行。谐波不仅造成电能质量降低，并增加电能损耗及设备损耗，对电网电压造成严重的波动和闪变，降低生产效率，增加能耗，同时有可能造成产品质量下降。1.1 电能质量测试1.1.1 测试数据在xxx电气技术人员以及设备操作人员的积极配合下，在12年2月组织了NOBLE工程师对四楼配电房供电系统做了系统全面的线路调查和实际运行参数诊断测量。 2500KVA变压器低压总线测试数据及图片，电容柜未投入：测试组别电流有效值(A)谐波电流含有率5次谐波电流7次谐波电流11次谐波电流13次谐波电流17次谐波电流含有率电流值(A)含有率电流值(A)含有率电流值(A)含有率电流值(A)含有率电流值(A)1 1069 34.3%31.1%332 13.0%139 5.1%54 2.3%25 2.2%24 2 1109 35.3%32.3%358 12.5%139 5.6%62 2.5%28 2.2%25 3 1094 35.7%32.7%358 电压电流波形图 1组测试图片5次谐波电流柱状图7次谐波电流柱状图11次谐波电流柱状图 2组测试图片5次谐波电流柱状图7次谐波电流柱状图11次谐波电流柱状图 1.1.2 测试数据分析通过使用专业的电能质量综合测仪FLUKE仪表对xxx进行测试，图片及及数据显示，配电系统电能质量差，谐波畸变非常严重，各主要次谐波电流值严重超标，具体表现为：l 由数据及分析图显示配电系统电压、电流波形不再是正弦波形，电压波形“毛刺”及“尖波”，电流波形“缺口”且畸变严重，由谐波柱状图显示，系统内谐波以5、7、11、13、17等奇次谐波为主，符合一般变频器6脉冲整流方式而产生（6n1）次谐波特性。l 电流谐波含量均达35%左右，KF因数4.57.2之间；配电系统谐波电压畸变率及各主要频次谐波电流值濒临或超过中华人民共和国国家标准电能质量公用电网谐波（GB/T1454993）中规定的上限值。电能质量 公用电网谐波（GB/T14549-1993）标准见下表：l 由于电力系统中，前端阻抗远小于后端，因此瞬流、谐波电流/电压向上传导并扩散至整个网络，造成整个电力系统污染，变化冲击较大。通过现场走访了解，电容补偿柜由于谐波影响无法正常投切，现场配电柜存在振动、异响情况，线路发热略高于同等负荷线路；由技术人员了解到，临近生产设备传感器、控制元件失灵等故障情况时有发生，更会造成继电保护多次误动或拒动；这些同配电系统电能质量直接相关，迫切需要治理。需要说明的是，这些问题的存在与整个国家的发展过程与经济现状有着直接的关系，并不是需求侧某一个管理人员或者技术人员的技术水平和管理水平引起的。1.2 审计结果分析 电压谐波畸变，电流谐波含量高，引起损耗成倍增加，对电力系统造成安全威胁 谐波引起配电系统损耗大大增加严重的畸变电压及高含量谐波电流，将引起变压器铁损、变压器铜损、传输线路损耗、电机的铁损及铜损、介质损耗（电容器损耗）、及其它杂散损耗，其中变压器铁损最大，因为变压器铁心损耗主要与频率有关，基波损耗时的市电频率为50Hz，电磁场在铁心中每秒交变50次，而xxx中受5、7、11、13次谐波污染为主，电网中5次次谐波，其频率分别为250Hz，电磁场在铁心中每秒交变250次，其铁心损耗大幅度增加，如果电网中含有频次更高的谐波，其损耗会更大。当绕组导线施加畸变电流时，发生第一次集肤效应；绕组磁化变压器铁心后，产生了畸变磁场，又施加在绕组上，在绕组导线上发生第二次集肤效应，因此变压器铜损铁损都会相应增加。K因数K因数（KF）表示由于谐波电流的影响造成的变压器损耗，下面的公式是FLUKE计算K因数的定义： 其中h谐波次数，Ih以基波百分比表示的谐波电流谐波附加损耗以基波损耗成倍数增加，当变压器长期受谐波影响，附加损耗以发热、振动形式出现，甚至烧毁。根据国标GB/T 17468-2008变压器相对热老化率 V=2(h-c)/d其中 h-实际热点温度 c-额定热点温度 d-寿命损失加倍率（油变6，干变10）即在额定热点温度基础上，每增加6（油浸式）或10（干式），变压器热寿命减少一半，反之增加一倍。同理，谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损失，它是电网线损的一部分。现场来看，谐波电流含量较高，谐波频率也较高，在导线中的集肤效应使得谐波电阻比基波电阻增大，因此谐波引起的附加线损也增大；同时谐波和间谐波的集肤效应使输电线等效截面积变小，线路损耗增加。 对于采用电缆的输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质损耗增加和温升增高，缩短了电缆的使用寿命。通常电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，会使上述危害更为严重。 谐波引起配电系统谐振发生，影响安全运行电力系统中如果没有电容设备且不考虑输电线路电容，则其谐波阻抗Zsn=Rsn+jXsn式中Rsn系统的n次谐波电阻Xsn-n次谐波电抗 Xsn=nXsXs 工频短路电抗并联电容后，设并联电容器基波电抗为Xc n次谐波电抗为Xcn，系统的谐波等效电路如图一所示，则系统的n次谐波阻抗值Zsn为由上式可以看出，装设电容器后系统的谐波阻抗随系统的谐波频率不同会发生变化，即可以为感性也可以为容性，并且当系统的谐波频率达到某一特定值时，并联电容器可能会与系统发生并联谐振，使等效谐波阻抗达到最大值。如果谐波源为n次谐波电流İn注入电力系统，İsn为进入电网的谐波电流，İcn为进入电容器的谐波电流，如图二所示：当Xsn=Xcn时，并联电容器则与系统阻抗发生并联谐振，由于RsnXsn、RsnXcn，此时İsn、İcn均远大于İn，所以谐波电流被放大。因Xcn=nXS，Xcn=Xcn，故谐振点的谐波次数为n0=Xc/Xs，即当谐波源中含有次数为Xc/Xs的谐波时，将引起谐振。若谐波源中含有次数接近Xc/Xs的谐波，虽不会发生谐振，但也会导致该次谐波被放大。在工频频率的情况下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率而言，系统的感抗大大增加，而容抗大大减少，就可以产生并联谐振或串联谐振，使谐波电流放大。而且电容器组的容量越大，引起的谐波电流放大作用也越大。当发生谐振时，引起的过电压和过电流将增大损耗，损坏设备，危害极大，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。谐波引起电力电容补偿器故障及工作失常，造成系统功率因数低在电力系统中，无论是公用还是用户，安装并联电容器都是在提高电压和经济运行水平的极为重要的无功补偿手段。当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1.38倍;对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1.43倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，损耗功率超过额定值，使电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2左右。尤其是电容器投入在已经畸变的电网中时，使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。具体谐振分析可以参考上节说明，当发生谐波振时，谐波电流放大达到最大值。因此，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。由于现场电容柜无法正常投切，导致系统功率因数较低，其影响如下： (1) 功率因数低导致变压器容量减少，降低变压器、母排、电缆等设备使用率； (2 ) 功率因数影响电网的无功潮流分布，导致电压降，降低电压质量；(3) 功率因数低增加电力传输过程中的功率损耗； (4) 功率因数低增加用户电费支出 下表为谐波对电力系统中的设备和原件的常见影响设备、元件谐波效应动作反应变压器变压器问题也可能发生在芯损和铜损。变压器通常只是在50Hz 相电流负载下标定。由于涡流和磁滞的作用，高频谐波电流会增加芯损从而导致在与50Hz 相同的电流下产生更多的发热。3 次基波奇数倍谐波，在中线上代数叠加，加大变压器损耗。变 压 器 可 能会被烧毁。这些热效应要求变压器降载使用以满足谐波负载或用特殊设计的“K 因数”变压器替代。当中线电流抵达变压器，它会感应在初级线圈中并进行循环，导致过热和变压器损坏。无功损耗由于谐波干扰，无功补偿电容器难以正常使用，损坏率高，甚至不能投入，并且严重放大谐波电流，扩大谐波危害。产生大量的无功功率，造成电能的不必要损耗。中线导体在三相四线制系统中，中线导线可能会受220V 支路上非线性负载的严重影响。如果负载是单相的，某些谐波（3 次谐波的奇数倍：3 次，9 次，15 次）在中线上不是相互抵消，而是相互叠加。如果系统中有很多这样的负载，中线电流可能超过其中任何一相的电流非常危险，因为中线上没有断路器保护。配电盘热磁式断路器：使用两种金属机械式断开方式对电流热效应产生反应。峰值感应断路器：对电流波形的峰值产生反应，并非总是正确的对谐波电流作出反应。当温度过高断路器会断开，从而可以对谐波电流过载起保护作用。因为谐波电流的峰值通常高于正常值，在较低电流时，断路器可能提前动作。如果峰值低于正常值，断路器可能不会正常动作。母排和电线电缆谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流值减小；中线线和接线板的尺寸应足够承受满负荷额定相电流。母排和电线电缆发热异常；当附加的 3 次奇数倍谐波叠加使中线导线过载时，它们也会过载。断路器配电盘是按 50Hz 的电流而设计的。高频的谐波电流引起的电磁场会导致配电盘产生机械谐振。在谐波频率配电盘会产生机械振动并发出嘶嘶的声音控制设备变频器、开关电源及 UPS 等设备自身产生大量的高次谐波，而高次谐波对控制设备和控制系统的干扰极大。使设备（如 PLC、音响、医疗设备、继电保护、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等）运转不正常或不能正确操作。第二章 解决方案描述2.1设计思路因改造系统工艺要求和电气环境标准较高，设计时以不改变原设备状态为基本原则；针对xxx电能质量差、谐波畸变等状况，从经济、实用、有效的目的出发，建议从集中治理思路进行设计，系统解决上述问题，提升配电系统电能质量，达到负载动态管理、节电与保护的多重效果。针对现场复杂性供电系统电力质量困扰状况，NOBLE公司采用新一代电力系统电能质量专业解决方案，通过先进的TTA检测技术，同步检测电力系统的功率因数、谐波含量、多级电压降差等综合电气参数，运用具有NOBLE自主知识产权的电能质量专家诺电霸MS II系统，对无功当量、谐波当量进行主动式线性反向补偿，系统地解决以上存在的问题。2.2 项目目标针对四楼配电系统存在的电能质量状况，基于经济、实用、有效原则，采用在变压器二次侧进行集中治理，优化电能质量，减少系统综合损耗，降低电能浪费，提高系统设备运行效率。预计电能治理后考核点（PCC点）达到如下指标 治理后，原补偿柜正常投入，平均功率因数： COS20.95； 谐波电流滤除率70%以上，最高可达99%；谐波电压总畸变率：THD4(1)%，各次谐波电流值满足并优于电能质量公用电网谐波（GB/T14549-93）的规定值； 显著改善配电系统故障干扰状况，提高配电系统稳定性5倍以上；预计节能率指标 综合降低配电系统能耗约6%-10%左右；投入NOBLE公司诺电霸MS II系统对无功当量、谐波当量进行主动式线性反向补偿， 不仅使电能质量中的谐波电流和谐波电压达标，减少变压器及配电网络附加损耗，而且功率因数得到改善，减少无功损耗；更可降低谐波对设备的危害，避免谐波对生产可能造成的损失，提高生产设备的效率，使电力系统可靠性得到根本改善。保护功效（间接经济效益）：通过电能质量治理及节电改造程实施以后，除直接的电力成本降低，还会产生30-100%的间接效益，这来自于系统的稳定性提高、设备加工合格率的提高以及系统效率提高后增容扩容的资金投入减少。在节约成本提升产能的同时，减少了维修维护费用，从而提升了企业竞争力。所以，对企业、国家以及社会而言，此节能项目的实施，意义深远，势在必行。具体的原理分析如下：a) 变压器：负载冲击和电网电压波动、谐波畸变，以及功率因数短缺造成的综合损耗，防止因磁滞引起的温升而导致变压器过热损坏，提高变压器使用寿命；b) 电容器：解决配电系统因谐波引起的谐振导致电容器烧毁，防止瞬流浪涌对电容器绝缘破坏；b)电动机：防止电动机因谐波、浪涌而造成的过热烧毁、过电压击穿以及荡机损坏；c)电子设备：能保护设备内的电子集成线路板及芯片不被浪涌冲击损坏；d)低压供电线路：电能质量治理工程能降低谐波、浪涌引起的电缆发热，减小空开、继电器和线路接触点的接触电阻，延长其使用寿命，有效防止因电力系统中电缆过热和接触点电弧引起的火灾；e)稳定用电系统：电能质量治理工程能防止因脉冲电压、电流而引起的空气开关跳脱，保持用电稳定，减小因意外停电而造成的各种损失。系统投入后将达到如下功效：节约电费开支；提高电能管理水平，提高配电系统自动化控制水平，提升工作效率；解决系统因谐波引起的弱电系统受干扰问题；保护用电设备，降低设备故障率，减少维护（修）费用；提高用电安全，防止低压系统意外断电保护；增大供电容量，减少扩容投资。2.3 安全保证2.3.1 接入方式：诺电霸MS II系统并联运行；具有良好的诸如变流器过流、过热，电源过载、过压等保护功能，运行安全、可靠、稳定；能够适应各种复杂工业现场的要求；2.3.2 保护措施：所有能效设备均内置高灵敏度电子保护器，既有手动和自动旁路功能，即使设备出现故障，对用电系统也没有任何影响；2.3.3 补偿方式灵活：电能质量治理设备电流输出可限，容量选择预留一定裕量，并可对各主要频次谐波自动分配，即使谐波源容量高于补偿容量，不影响电能质量治理设备运行，可增设补偿模块而增加补偿容量。2.3.4 安装位置：诺电霸MS II系统安装在变压器400V侧母线上；对客户的工作环境及设备运行无任何影响，不在楼道及其它工作区、公共区打孔、挂装和占用空间；2.3.5 质量承诺：所有产品均符合相关技术标准，并通过有关权威机构的质量认证；同时，所有产品都在太平洋保险公司进行了投保，如因产品质量问题给用户造成任何直接损失，由太平洋保险公司负责赔偿。2.3.6 售后服务：售后服务内容主要包括：维护、更换、扩容及其它维护。项目验收后提供三年免费保修，终身维护，三年内出现设备故障，本公司无条件免费修复直至更换全新设备。保修期满后，公司将继续优惠提供必要的维护或备品备件服务，服务标准不打折扣。提供全天候724小时售后服务承诺。2.4 系统设计标准依据 电力系统审计依据； 相关专业提供的设计资料； 建设单位提供的设计资料； 国家重点节能技术推广目录； 供配电系统设计规范GB50052-1995； 10kV及以下变电所设计规范GB50053-1994； 低压配电设计规范GB50054-1995； 建筑物防雷设计规范GB50057-1994(2000版)； 住宅设计规范GB50096-1999(2003版)； 电能质量 公用电网谐波（GB/T14549-1993）工业计算机监控系统抗干扰技术规范低压配电设计规范（GB 50054-95）建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范（7CECS72:97）建筑与建筑群综合布线工程施工与验收规范（CECS89:97）建筑物防雷设计规范甲方对系统的具体要求第三章 产品组成及综合效益分析3.1 产品布控图3.2 产品配置序号布控点设备名称型号数量(套)价格（元）14楼配电室低压母排优电霸IIMS-100-500/571小计1辅材、安装调试费（5%）合计3.3 投资总额说明注：价格内已经包含：所列设备的采购、运输、装卸、保险、安装和调试费用；原有系统控制部分现场改装；新增VFD控制柜集成及现场安装；新增VFD控制柜现场调试；系统联调；现场工程师及维护维修人员的现场培训；保险费用；交工文档及项目管理费用；项目售后服务。第四章 产品介绍 诺电霸系列NobiPower MS-II产品概述NobiPower MS-II是NOBLE随着电力电子技术及 FACTS技术的发展研究出的一种国际先进的新型用户电力电子设备。以电力电子技术为核心的NobiPower MS-II既能补偿谐波电流也可补偿无功电流，其调节灵活，动态特性完美，能有效抑制系统中存在着的严重电流畸变现象，是用户电力技术的一个重要组成部分，能适时改善用电环境的电力污染问题，提升企业的整体电能效率，是目前中国能效管理和电能质量治理市场的领先产品。基本原理NobiPower MS-II其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使流往电网的电流中只含有基波分量；能对频率、幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到了广泛的重视。检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿的电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到纯净的电源电流。NobiPower MS-II主电路拓朴结构如下图所示：性能特点 具有自适应动态能源效益跟踪管理功能，可实时采集能效系统各种数据，充当能源管家的角色； 具有改善电力品质因数，对电源进行无功补偿，降低线路及变压器损耗，降低线路的视在功率,提高变压器的承载能力，增加企业供配电系统的负荷能力，具有节能与环保的双重功效； 具有电力品质改善功能，可对谐波、浪涌冲击、闪变等诸多电能质量问题同时进行改善，有效提高电能质量； 具有良好的诸如变流器过流、过热，电源过载、过压等保护功能，运行安全、可靠、稳定；能够适应各种复杂工业现场的要求；操作方便简单； 具有强大的LCD显示功能，可显示电流有效值、电压有效值、有功功率、电流基波值、电压基波值、时域分析图和频谱图等一系列电气参数；精确设计各项参数，对选定次数的谐波电流起吸收和滤除作用； 功率因数可提高到0.95以上，谐波电流值下降率75，可以降低基波和畸变无功电流，节电效果明显，且不产生无功返送，减少电费开支； 具有设备投切方式为手动和自动，自动方式时，装置按功率因数整定值自动进行投切；并配置自动开关（断路器），具有短路（瞬时）、过载（延时）保护； 采用个性化设计，量身定制，容量选取灵活，最大容量可达6000A，可满足不同用户的需求； 具有无缝捕捉并实时动态消除任意次谐波功能，能有效消除电力能源的附加损耗；能有效消除磁场对人体的危害。符合有关谐波电流的国际标准；IEC61000-3-2谐波电流发射限值，小于16A的设备；IEC61000-3-4谐波电流发射限值，大于16A的设备；IEEE519（2）； 动态响应速度快，响应时间可达5s； 三相三线制系统或三相四线制系统，电压等级：110V，220V，380V，660(690)V，3kV，6kV，10kV，35kV。适用范围NobiPower MS-II在我国有着广阔的应用前景， 适用于电力、冶金、轻工、建材、纺织、化工、机械等行业的电动机调速装置，直流和交流电弧炉晶闸管供电装置，轧机用交、直流晶闸管供电装置，电解、电镀