洪文瓞1 赵军1 余荣军2
1上海数恩电气科技有限公司 上海 201614; 2上海安德利电力科技股份有限公司 上海 201801
摘要：提高生产作业效率的一条有效途径是引入自动化设备和建造自动化生产线。当前我国正处于经济高速发展的阶段，引用电力自动化设备替代简单的人工操作这是大趋势。逆变器、点焊机、热熔炉和港口起重门机等电力自动化设备的引入可以提高生产作业效率，但是这些电力设备对公用电网的危害和对其他设备的干扰不容忽视，可以通过合理改造布线，选择适合的电能质量治理设备来治理谐波、补偿无功、解决三相不平衡和电压闪变等电网电能质量问题。本文主要以点焊机冲击性负载为例，阐述冲击性快速变化负载场合的电能质量综合治理方案，并进行了实际现场应用，效果明显，得到了客户的高度认可。
关键词：冲击性负载；点焊机；电能质量综合治理
An application of a power quality comprehensive treatment scheme in the case of impact load
HONG Wendie 1 , ZHAO Jun 1,YU Rongjun 2
(1、SHUEN CO.,LTD Shanghai 201614,China ;2、ANDELIDL CO.,LTD Shanghai 201801,China)
Abstract: An effective way to improve production efficiency is to introduce automation equipment and build automatic production line.
China is in the period of rapid economic growth. Introducing the electrical automation equipment instead of the simple manual work is a big trend.
The introduction of electrical automation equipment such as inverter, spot welding machine, hot melting furnace and port lifting machine can greatly improve the production efficiency, but the harm to the public power grid and the interference to other equipment from these electrical equipment can also not be ignored.
Based on this situation, the power quality problems of power grid such as harmonic, reactive power compensation, three-phase imbalance and voltage flicker can be solved through reasonable wiring transformation and selection of suitable power quality control equipment.
This article mainly takes the impact load of spot welding machine as an example, expounds the comprehensive treatment scheme of power quality under the situation of rapidly changing impact load, and carries out the practical application, the effect is obvious, and has been highly recognized by customers.
Key words: impact rectified load ；spot welding machine ；power quality comprehensive
1 引言
随着我国经济快速发展，电力电子技术也得到了飞速发展，人们对用电需求增多，使得大量的非线性冲击负荷用于公用电网中，如港口码头的起重门机、冶炼行业的电弧炉和热熔焊接的点焊机等，这些设备的工作特点是工作周期短、投入切出频繁、功率变化剧烈，工作中会对电网产生有功和无功冲击、谐波污染、单相冲击设备很容易出现三相不平衡等问题，降低供电质量，影响用电安全性和可靠性。冲击性负载产生的谐波电流通常无规律、波动剧烈，很容易导致无功补偿电容器谐振过载，造成变压器、电动机等设备机械振动，引起保护装置和其他敏感自控装置误动作或不动作，降低整个系统的效率，无功冲击会导致电网电压的幅值、相位和频率上下振动，加剧电网的三相不平衡度，本文提出的电能质量综合治理装置兼具高度可控性和快速响应性，响应时间可达5ms内，可实时动态补偿非线性冲击负荷产生的谐波、无功和不平衡等电能质量问题。
2 点焊机冲击性负载分析
2.1 点焊机拓扑结构
市场上点焊机的分类有很多种，常见的有气动交流型、电容储能型和直流型，其中直流型点焊机应用最广泛，直流能量输出稳定、能量更集中、节能，利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电极间的被焊材料，来达到使它们结合的目的。拓扑结构，单相交流220V输入→不控整流→支撑电容→全桥逆变→变压器半波整流→输出大小可控的直流电压。
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图2-1 单相交流输入直流输出型点焊机拓扑
2.2 主要谐波频次
单相半波整流电路（如图2-1）中，假定交流侧电抗L的感值为0，直流电感为无穷大，调相角度为0，则交流侧电流傅里叶级数展开为：
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。。。。（1）
由以上公式（1）可以看出，半波整流电路电流谐波主要是2N±1（N=2、3…）次谐波。
2.3 负载特性及其影响
焊接设备常见的电能质量问题：无功和电压波动大、功率因数低、谐波电流电压大和三相不平衡严重等问题对电力系统、供电部门和电力用户带来严重的危害，主要有以下几个方面：
1、电网电压波动和闪变主要由负载波动引起的。点焊机是典型的波动性冲击负载，它引起的电压变化不仅影响焊接质量和焊接效率，而且在公共耦合点上影响其他电力设备；
2、点焊机产生的大量无功功率会降低功率因数导致力调电费罚款，无功电流会增加变压器和线路损耗，使变压器和线路的温升增高，降低变压器的有功输出能力；
3、单相直流型点焊机是非线性整流设备，有冲击性谐波产生会加大线路损耗，使电缆过热、绝缘老化、降低变压器的额定容量，很容易造成电网谐振，损坏电网中的敏感设备，尤其是3n次零序电流造成中性线电流过大，造成中心线发热造成火灾事故。
4、每台点焊机工作时间点有差异很容易出现负序电流，导致中性线电流增大，增加线路损耗，增加变压器的铜损和铁损，输出电压不一样，降低输出的额定容量，是线路火灾发生中的重要故障因素之一。
3 解决方案
3.1 电能质量治理的意义
在配电系统中，改善电能质量对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义，电能质量直接关系到国民经济的总体效益。
无功补偿可提高变压器输出能力降低变压器容量，延长变压器的使用寿命；可使电源点的电压和频率趋于恒定，提高系统的稳定性；降低线路损耗节约电费开支，降低电力公司的力调电费，获取奖励等。
谐波治理可以减少谐波电流在输配电线路上的损耗，降低发热减少绝缘老化速度，减少维护成本和提高设备寿命；减少电网中补偿电容器的谐振机率，减少谐波对系统信号的传输提高系统稳定性；减少谐波对公用电网的污染，提高设备运行可靠性，减少因设备误动作而造成的损失。
三相不平衡增加线路及配电变压器的损耗，降低配变变压器的出力，影响用户的有点计量和用电质量，引起中性线发热烧坏供电设备，造成严重的后果。因此采取有效措施解决电能质量问题是迫在眉睫。
3.2 常见的几种电能质量治理方案
方案1、集中治理；适用于同一变压器下同时有多种谐波源的配电系统
采用TSC控制三相共补偿支路+单相分补偿支路，进行无功补偿；采用有源滤波器和无源滤波器相结合，用无源滤波器来治理特定次含量较高的谐波，有源滤波器治理其他次含量相对较少的谐波。采样SVG进行无功补偿和三相不平衡治理，由于SVC是阶梯投切，对于精细化的补偿需采用SVG，如果是单相焊机或者三相不平衡焊机，很容易产生不平衡电流。
方案2、就地治理：适用于单台功率较大的设备，且为主要的谐波源
采用TSC控制电容器+SVG进行无功补偿；采样APF进行谐波治理；采样SPC进行有功三相不平衡治理，降低中性线电流；
方案3、对于冲击性负载，如：点焊机、电弧炉、港口起重门机等，
由于无源设备响应时间慢，投切和退出周期长，不能实时跟踪负载变化而变化，很容易出现过补或者不补偿情况，无法满足治理效果。而APF和SVG是实时响应主动追踪可解决这类电能质量问题。下文以实际应用案例分析此类场合的治理方案。
4 应用案例
某生产制造型工厂2#变压器容量为250KVA，该配电系统主要负载为多台单相点焊机生产线和宿舍生活用电，该工厂的点焊机设备主要用来线束线头成型、焊丝焊接、铜丝铝丝与金属焊接等焊接工作。原配有并联纯容电容柜进行无功补偿，据现场反馈，电容柜内电容器与负载产生的谐波发生谐振，使电容器严重损坏，接触器压线处有明显发黑老化现象；点焊机运行时功率因数波动非常明显，平均功率因数在0.75左右每月需缴纳无功力调电费罚款；三相不平衡严重导致零线明显发热；变压器噪声大且也周期性的尖叫声；从进线柜电流表上可看出电流从几十A到几百A来回摆动，周期小于1s；宿舍灯频闪并有家电损坏等问题，严重影响工厂生产和宿舍用电，给客户带来直接经济损失，为此对该系统进行详细检测，测量示意图如图4-1所示，测量仪器为：日置PW3198电能质量分析仪和恒河DL850录波仪。
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从上图可清晰看出，点焊机工作时负载在周期性冲击变化，工作电流持续三个周波（60ms），间隔周期为1s左右，最大电流超过600A，最小电流10A。从补偿后的波形可看出，补偿装置可实时跟踪负载的变化，且同时有不平衡电流的补偿。
2#变压器系统配电图如下，在测量点1处进行系统监测，由于白天作业时监测，宿舍用电可忽略，只需关注点焊机用电情况。
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图4-3 某工厂2#变压器下配电系统测量示意图（纯容无功柜无法投入）
系统监测趋势图如下：
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测量点1数据分析和总结：
2#变压器（250KVA）主要为点焊机设备和宿舍供电，补偿电容柜为纯容方案且未串电抗抗抑制谐波保护，现场3次谐波较大且负载来回冲击变化，电容柜有谐波流入导致谐振损坏烧毁，来回投切导致机械损坏并有过补偿现象，负载电流波动快且大，无功需求也随之快速变化，传统的TSC控制的电容柜无法及时响应投切，单组补偿电容容量为14kvar,传统无功柜阶梯投切的劣势明显，导致功率因数很不稳定，同时该变压器现场的噪声也明显比旁边的两个变压器声音大。在无功快速变化的同时，以3次谐波为主的各次谐波电流也在快速变化，且在三相中分布不均，平均功率因数0.75左右，不平衡率30%，电流畸变率30%。对原有的纯容电容柜补偿进行改造，选用模块式APF+SVG的方案进行综合治理， APF模块用来治理冲击性谐波和突变的三相不平衡，SVG用来治理冲击性无功，同时响应时间需小于5ms，采样集中控制方式，将两者优点结合。改造方案如图4-5：
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图4-5某工厂2#变压器下配电系统电能质量综合治理方案示意图（APF+SVG）
在测试点1处测量变压器进线柜谐波电压电流及A相畸变率列表，电能质量综合治理装置投入运行前后的瞬态治理效果对比，如下图所示：
从上图瞬态监测数据，功率因数由最小的0.22提高到0.96，电流畸变率由51%提高到5%，不平衡度由前30%提高到3%，中性线电流由100A降低到10A，可明显看出用APF+SVG综合补偿方案代替原纯容无功柜补偿前后效果明显，现场观察变压器噪声和温度明显降低，宿舍用电也趋于稳定，给客户的用电质量有极大改善。
补偿后的数据满足GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》的相关限值。通过对现场系统和负荷特性的了解，分析负荷故障原因，避免了点焊机冲击性负载产生的电能质量问题对电网的危害；采用APF+SVG综合性补偿方案，避免变压器间电压畸变引起的电流畸变，从而有效的滤除点焊机产生的谐波电流，解决了现场谐波对公用电网的污染问题。
5 结束语
本文分析了单相点焊机冲击性负载场合的工作特性和电网电能质量情况，并提出解决方案，抑制冲击性谐波电流、补偿冲击性无功功率和瞬变有功不平衡等电能质量问题，采用合理的补偿方案，最终达到滤除谐波污染、避免无功功率力调电费罚款和降低中性线电流的目的。得出如下结论：
（1）点焊机的谐波主要是由相控整流功率器件引起的，由负载的快速变化引起的突变；
（2）单相冲击性负载虽可均分在三相之间由于投切有先后，间隔周期短工作持续时间短，极易引起三相不平衡，导致中性线电流过大；
（3）传统的无源滤波器和电容柜补偿装置并不适用于冲击性负载引起的谐波治理和无功功率补偿场合，这类负载场合必须引用有源型电能质量综合治理装置；
（4）电能质量优化工程项目中，需充分了解现场负荷特性、分析故障根本原因，是解决工程项目电能质量综合治理的必要条件。
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作者简介：洪文瓞（1990-），男，安徽安庆人，电气工程师，从事电力电子类产品设计开发及应用。