關(guān)于半導(dǎo)體電子類廠房諧波治理的探討和治理方案

摘要：各式各樣的電力電子裝置在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都會(huì)產(chǎn)生諧波，污染電力系統(tǒng)，導(dǎo)致諧波危害越來越嚴(yán)重，成了電網(wǎng)大公害?；诖?，本文探討了諧波產(chǎn)生的原因以及影響，針對(duì)當(dāng)前諧波治理措施進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：電子廠房；諧波；治理

0.引言

近些年來，隨著科技水平的不斷革新，大部分電子產(chǎn)品采用了非線性的可控變流裝置、變頻調(diào)速裝置等符合設(shè)施，其產(chǎn)生的諧波問題導(dǎo)致了公用電網(wǎng)電能品質(zhì)降低。因此，相關(guān)工作人員需要知曉諧波產(chǎn)生的原因及影響，便于今后做好防控和治理，提升電能品質(zhì)。

1.發(fā)生諧波的主要因素及其諧波源的剖析

1.1諧波源的剖析

電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波

1.2發(fā)生諧波的主要因素

現(xiàn)階段，需要把電網(wǎng)當(dāng)中的頻率為工頻整數(shù)倍成分的諧波，以及基波頻率非整數(shù)成分的間接諧波作為主要諧波關(guān)注點(diǎn)，并且二者皆是電網(wǎng)電能質(zhì)量附著臟東西的主要因素。然而，在電力系統(tǒng)中諧波發(fā)生重點(diǎn)諧波源就是電力變壓器。其問題出現(xiàn)在激磁電流、鐵心飽和與三相電路荷磁路不對(duì)稱，造成在變壓器三角繞組的線電壓與線電流會(huì)出現(xiàn)三次諧波分量，尤其是低谷時(shí)期，電網(wǎng)逐步提升電壓，而變壓器鐵心飽和使情況變得更加糟糕，諧波發(fā)生的數(shù)量逐漸增高。隨后電網(wǎng)中電容裝置的大數(shù)量的運(yùn)用，經(jīng)過當(dāng)場(chǎng)諧波實(shí)際檢測(cè)結(jié)果得知，諧波不單只存在零序分量能夠讓變壓器三角繞組所環(huán)路，實(shí)際還會(huì)擴(kuò)張到全電網(wǎng)，導(dǎo)致電容裝置及其電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行有一定風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)前整流器、變頻器、開關(guān)電源、靜態(tài)換流器、晶閘管系統(tǒng)以及其它SCR控制系統(tǒng)等被稱為電力電子基礎(chǔ)設(shè)備。在工業(yè)與日常生活用電范圍內(nèi)會(huì)運(yùn)用到基礎(chǔ)設(shè)備與電路，感性負(fù)載的單相整流電路為僅含奇次諧波的電流源型諧波源。此外，單相整流電路位于電容電壓通過整流管正向電源反映，歸為電壓型諧波源為容性負(fù)載，而諧波數(shù)量與電容數(shù)值大小相聯(lián)系，即電容數(shù)值提升，導(dǎo)致諧波數(shù)量隨之變大。

可飽和設(shè)備

可飽和設(shè)備屬于非線性設(shè)施，將電弧設(shè)施和電力電子設(shè)施做對(duì)比，可飽和設(shè)備上的諧波在未飽和的情況下，實(shí)際中的諧波幅值可忽略不計(jì)。其中變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等屬于可飽和設(shè)備。

王金晶，女 , 現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司 ，手機(jī): 13774430992（微信同號(hào))，QQ: 952838119，郵箱: 952838119@qq.com

電弧爐及其氣體電光源設(shè)備產(chǎn)生的諧波

首先，實(shí)踐中電弧爐設(shè)備在治煉金屬過程中非線性作用能生成很多的諧波。其次，氣體電光源設(shè)備依照氣體釋放電光源伏安特性。產(chǎn)生的非線性特性有一定作用，同時(shí)出現(xiàn)負(fù)的伏安特性。由于鎮(zhèn)流器非線性有很大影響，這里面三次諧波具有數(shù)量在百分之二十之上，其對(duì)稱函數(shù)是特性，需具備奇次諧波，而電流源性諧波源主要指全部氣體電光源設(shè)備。

2.諧波產(chǎn)生的干擾

2.1諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響

首先，導(dǎo)致電網(wǎng)功率消耗變大、設(shè)備試用時(shí)間降低、接地保護(hù)功能和遙控功能出現(xiàn)異常、線路與設(shè)備熱量變大等，特別是三次諧波導(dǎo)致非常大的中性線電流，造成配電變壓器零線電流大于相線電流數(shù)值，致使設(shè)備不能平穩(wěn)運(yùn)行。因此，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生，則會(huì)將運(yùn)行正常的供電停止、情況嚴(yán)重、電網(wǎng)解裂等情況發(fā)生。其次，諧振造成變電站局部并聯(lián)與串聯(lián)，致使電壓互感器設(shè)施損壞；造成變電站系統(tǒng)當(dāng)中的設(shè)備與元件生成附加的諧波損耗，導(dǎo)致電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備溫度上升，電容器損壞，進(jìn)而促進(jìn)了絕緣材料發(fā)生質(zhì)變的速率；造成斷路器電弧熄滅時(shí)長變長，阻礙斷路器正常開端功能；導(dǎo)致電子元器件的繼續(xù)電保護(hù)或主動(dòng)裝置發(fā)生操縱失誤；阻止了電子儀表與通信系統(tǒng)的正?；\(yùn)行，減少通信質(zhì)量；增加接近電磁振蕩。

2.2對(duì)用電安全造成的影響

第一，通信擾亂。其電網(wǎng)擾亂的主要因素為發(fā)生諧波，通過基本靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)，經(jīng)過通信線路導(dǎo)致聲頻混亂。其諧波頻率提升，則會(huì)有雜音問題，通過通信線路上導(dǎo)致音頻混亂。之后采取遮蔽電纜通信，基本上可以消滅靜電感應(yīng)的作用，最終還是不可能消滅電磁感應(yīng)的擾亂。

第二，有關(guān)設(shè)備損壞。電能質(zhì)量附著上臟物會(huì)帶給繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與精細(xì)儀器和機(jī)械等，造成其不能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)和操控，減少設(shè)施利用期限，進(jìn)而導(dǎo)致繼電保護(hù)錯(cuò)誤操作出現(xiàn)可避免的意外損失，造成不同情況的干擾。

第三，失火造成災(zāi)害。有些意外失火狀況的起因多數(shù)跟電力諧波有聯(lián)系?，F(xiàn)階段節(jié)能燈、調(diào)光器設(shè)施中關(guān)開電源很普及，最初為了節(jié)約能源，之后這些設(shè)施卻產(chǎn)生了諧波源，導(dǎo)致電網(wǎng)的危險(xiǎn)系數(shù)增加。在相關(guān)測(cè)驗(yàn)之后，運(yùn)用電器設(shè)施很多的酒店、寫字樓、小區(qū)等，如果不做濾波等舉措，最終中性線電流很強(qiáng)，嚴(yán)重的超出線電流，結(jié)果就會(huì)變成失火的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3諧波對(duì)于電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響

第一，變壓器產(chǎn)生影響。諧波電流在變壓器中發(fā)生，致使銅耗提高，造成局部過熱、震蕩、聲音變大、繞組附加過熱等。其變壓器中的諧波電流被勵(lì)磁電流所包含，致使合閘涌流之后諧波電流提升，出現(xiàn)的諧波電流導(dǎo)致諧振問題，結(jié)果造成變壓器的日常運(yùn)行有風(fēng)險(xiǎn)。

第二，電力電容器產(chǎn)生的影響。而電容器在電網(wǎng)無功配置容量中占有比重很大，其中少數(shù)電容器安排只參照無功補(bǔ)償量，不會(huì)參照裝置點(diǎn)電能質(zhì)量現(xiàn)實(shí)存在的污染狀況。至此，運(yùn)行點(diǎn)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)過低，經(jīng)常出現(xiàn)意外損失，比如：安裝不了補(bǔ)償裝置、分開電容器保護(hù)熔絲，惡劣情況下會(huì)出現(xiàn)串聯(lián)并聯(lián)諧振，造成電容器諧波過電壓與過電流，導(dǎo)致電容器開裂。

第三，自動(dòng)控制器產(chǎn)生的影響?，F(xiàn)如今，數(shù)字控制技術(shù)已投入到更加廣泛領(lǐng)域，諸多精細(xì)負(fù)載針對(duì)受電電能質(zhì)量指標(biāo)有更高要求。基于此，電能質(zhì)量被沾上臟物則會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的監(jiān)測(cè)模塊中引發(fā)畸變量、擾亂一般分解計(jì)算、造成出錯(cuò)的輸出結(jié)果的損害。

第四，斷路器產(chǎn)生的影響。局部斷路器磁吹線圈不能正常運(yùn)行是由諧波造成的，致使遮斷能力降低，不能遮斷波形畸變率大于一般控制的故障電流，導(dǎo)致中壓斷路器阻止電流，則會(huì)使諧頻涌波電壓與重燃情況發(fā)生，導(dǎo)致斷路器觸頭斷開。

第五，同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的影響。在系統(tǒng)里面的同步發(fā)電機(jī)中流入負(fù)序電流與諧波電流，造成多余的損耗，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)局部過熱，絕緣力度降低。由于多余諧波分量在輸出電壓波形產(chǎn)生，導(dǎo)致扭振現(xiàn)象在負(fù)載同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中發(fā)生，運(yùn)用時(shí)間縮短。

3.電子廠房諧波的治理策略

3.1采取主動(dòng)措施，減少電子設(shè)備諧波含量

多脈波變流技術(shù)

針對(duì)大功率的電力電子裝置,經(jīng)常把原本六脈波變流器改變?yōu)槭}波和二十四脈波變流器，從而降低交流側(cè)諧波電流含量。

脈寬調(diào)制技術(shù)

主要思路為把控PWM輸出波形中各種轉(zhuǎn)換時(shí)刻,確保四分之一波形的對(duì)等性。促使應(yīng)該消滅的諧波幅值為零，基波幅值為給定量，實(shí)現(xiàn)消滅指定諧波和把控基波幅值的目標(biāo)。

多電平變流技術(shù)

對(duì)各式各樣電力電子變流器采取移相多重法、順序控制和非對(duì)稱控制多重化等方式,把方波電流和電壓疊加,促使變流器能夠在交流電網(wǎng)側(cè)生成電流和電壓為靠近正弦階梯波,并電源電壓維持特定相位關(guān)聯(lián)。

3.2安裝電力濾波器，提高濾波性能

傳統(tǒng)無源濾波器

無源電力濾波器即PPF采取電容和電抗器合成LC調(diào)諧電路，可以為諧波供給并聯(lián)低阻通路，產(chǎn)生濾波影響。采取電容能夠補(bǔ)足無功功率，改變電網(wǎng)功率因數(shù)。介于PPF構(gòu)造不復(fù)雜，生成成本低、運(yùn)轉(zhuǎn)消耗小及其技術(shù)需求低等優(yōu)勢(shì)變?yōu)楦淖冸娔苜|(zhì)量的設(shè)備。介于構(gòu)造上面因素，致使PPF有許多不容易解決的難題，例如：濾除指定此諧波，諧波補(bǔ)足頻帶較窄，平穩(wěn)性很差、占有空間很大等。

新型有源濾波器

有源濾波器即APF有關(guān)原理。主要經(jīng)過檢查電網(wǎng)中諧波電流，之后把控逆變電路生成相對(duì)應(yīng)補(bǔ)充電流分量匯入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)消除諧波結(jié)果。并聯(lián)型APF則適合于感性電流源負(fù)載諧波補(bǔ)充。串聯(lián)型APF則適合于消除帶電容二極管整流電路等電壓型諧波源負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的作用。串-并聯(lián)型APF兼顧有串、并聯(lián)APF的功能。APF特點(diǎn)不會(huì)受到系統(tǒng)阻抗作用，不能和電網(wǎng)阻抗發(fā)生串聯(lián)和并聯(lián)諧振的狀況，并且對(duì)外部電路諧振具備阻尼影響。另外,APF具備很高操控性可和極快反應(yīng)性，不但可以補(bǔ)充各次諧波，也可以抑制無功電流，具有合適價(jià)格。

混合型濾波器

混合型電力濾波器是把無源濾波器和有源濾波器合理連接在一起。然而，有源濾波器不接續(xù)承擔(dān)電網(wǎng)電壓和負(fù)載的基波電流，簡單引起負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓高次諧波隔離器的影響，所以有源濾波器容量安排的很小，采取串聯(lián)有源濾波器變大高次諧波阻抗而對(duì)基波無作用的性質(zhì)，能夠改變無源濾波器的濾波成效，避免和電網(wǎng)聯(lián)系產(chǎn)生諧振，其不足就是有源濾波器性能較大層次上取決于電流互感器特有性質(zhì)。

4.安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)在電子廠房的解決方案

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為電子廠房提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來滿足電子廠房的需要，為電子廠房的整體運(yùn)作創(chuàng)造價(jià)值。

4.1方案特點(diǎn)

? 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)裝置采用整體設(shè)計(jì)，并可通過上位平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；

? 專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高、測(cè)得準(zhǔn)，符合IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

? 采用全控型技術(shù)實(shí)現(xiàn)完美電能質(zhì)量；

? 電能管理務(wù)業(yè)務(wù)綜合協(xié)同：配電監(jiān)控管理與運(yùn)維、電能分析與電能質(zhì)量數(shù)據(jù)共享融通，為電子廠房的電能供給與消費(fèi)提供控制手段。

? 高品質(zhì)電能質(zhì)量治理：配套電力電子裝置技術(shù)過關(guān)、質(zhì)量過硬，具備網(wǎng)絡(luò)化、可調(diào)控、快速響應(yīng)的性能；

? 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電子廠房能效管理平臺(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；

4.2方案價(jià)值

全面監(jiān)測(cè)電能質(zhì)量，保障供電可靠性

對(duì)供電回路的電氣參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)要求。微秒級(jí)故障錄波與SOE告警能夠及時(shí)記錄故障發(fā)生時(shí)全部數(shù)據(jù)信息，支持開展故障追蹤與問題定位。

完整電能質(zhì)量治理

通過集中+就地（終端）整體電能質(zhì)量治理模式，更大程度滿足無功和諧波治理的要求，提高整個(gè)電子廠房供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少對(duì)其它供電及制造設(shè)備造成危害。

5安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理產(chǎn)品選型

5.1集中治理

針對(duì)電子廠房行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的空調(diào)、風(fēng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等電器設(shè)備及數(shù)量較多的計(jì)算機(jī)等網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，為減少諧波對(duì)電網(wǎng)側(cè)的危害，同時(shí)確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時(shí)也可對(duì)整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測(cè)等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表1。

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表1電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)及集中治理產(chǎn)品選型表

5.2末端治理

電子廠房各個(gè)生產(chǎn)車間內(nèi)，單晶爐、多晶爐、IC測(cè)試臺(tái)、PLC控制的機(jī)械手、芯片制造用的晶圓機(jī)或變頻控制的半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)都會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，它們不但會(huì)造成機(jī)臺(tái)設(shè)備自身的壞機(jī)現(xiàn)象，回流進(jìn)電網(wǎng)的諧波電流還會(huì)引起其它回路的發(fā)熱、電子開關(guān)誤動(dòng)作、供電電壓不穩(wěn)，甚至引起生產(chǎn)線停線、半成品的報(bào)廢。其損失不可謂不大。而且高能設(shè)備如：外延設(shè)備、擴(kuò)散設(shè)備、離子注入設(shè)備的頻繁加卸載，更加重了用電環(huán)境的惡化。針對(duì)上述負(fù)載情況，建議在各個(gè)重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理，以達(dá)到末端治理諧波的目的，避免影響到整個(gè)配電系統(tǒng)的和其他的用電設(shè)備。其末端治理的產(chǎn)品選型見表2。

表2末端治理產(chǎn)品選型表

6結(jié)論

諧波污染狀況越來越加重隨即引發(fā)大家的極度關(guān)注，再加上對(duì)現(xiàn)有諧波實(shí)際存在狀態(tài)有一定了解和相應(yīng)處理措施，為了更高效實(shí)現(xiàn)抑制諧波成效，針對(duì)不一樣諧波源負(fù)載需要采取對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)濾波裝置才能達(dá)到消除諧波效果。

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