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趙斌
（安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801）
摘要：隨(sui)著(zhe)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)變(bian)流(liu)裝(zhuang)置(zhi)的(de)應(ying)用(yong)日(ri)益(yi)廣(guang)泛(fan)，電(dian)能(neng)得(de)到(dao)了(le)更(geng)加(jia)充(chong)分(fen)的(de)利(li)用(yong)，但(dan)非(fei)線(xian)性(xing)電(dian)力(li)裝(zhuang)置(zhi)設(she)備(bei)的(de)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)產(chan)生(sheng)了(le)大(da)量(liang)畸(ji)變(bian)的(de)電(dian)流(liu)諧(xie)波(bo)，諧(xie)波(bo)汙(wu)染(ran)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)威(wei)脅(xie)到(dao)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)安(an)全(quan)、穩定、經(jing)濟(ji)運(yun)行(xing)，給(gei)同(tong)一(yi)網(wang)絡(luo)的(de)線(xian)性(xing)負(fu)載(zai)和(he)其(qi)它(ta)用(yong)戶(hu)帶(dai)來(lai)了(le)極(ji)大(da)影(ying)響(xiang)。煙(yan)草(cao)工(gong)業(ye)在(zai)生(sheng)產(chan)製(zhi)造(zao)過(guo)程(cheng)中(zhong)，使(shi)用(yong)大(da)量(liang)的(de)變(bian)頻(pin)器(qi)進(jin)行(xing)調(tiao)速(su)，變(bian)頻(pin)器(qi)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)諧(xie)波(bo)，對(dui)廠(chang)區(qu)配(pei)電(dian)室(shi)的(de)供(gong)電(dian)網(wang)造(zao)成(cheng)了(le)一(yi)定(ding)的(de)影(ying)響(xiang)。本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)分(fen)析(xi)諧(xie)波(bo)的(de)危(wei)害(hai)，並(bing)提(ti)出(chu)采(cai)用(yong)有(you)源(yuan)電(dian)力(li)濾(lv)波(bo)器(qi)進(jin)行(xing)某(mou)卷(juan)煙(yan)廠(chang)諧(xie)波(bo)治(zhi)理(li)的(de)方(fang)案(an)。
關鍵詞： 諧波；汙染；有源電力濾波器；治理；卷煙廠
1、諧波的危害
bianpinqigongzuoshihuichanshengdaliangdexiebodianliu，xiebodianliuzaidianwangzukangshangchanshengyajiang，huishidianyaboxingyebianchengfeizhengxian。zheyang，lianjiezaitongyidiandeqitashebeishangjiuhuibeishijialehanyouxiebochengfendefeizhengxiandianya，zhishiyixieminganshebeiwufazhengchanggongzuo。xieboduiqiyedeweihaizhuyaobiaoxianzaiyixiajigefangmian：
（1）使電力元件附加損耗加大，易引發火災
諧波使公用電網中的元件產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，甚至引起火災。
（2）影響電氣設備的正常運行
諧波會影響電氣設備的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等；使變壓器局部嚴重過熱；使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。
（3）引起電網諧振
zhezhongxiezhenkenengshixiebodianliufangdajibeishenzhishushibei，huiduixitong，tebieshiduidianrongqiheyuzhichuanliandediankangqixingchenghendadeweixie，jingchangshidianrongqihediankangqishaohui。
（4）使繼電保護誤動作，電氣測量誤差過大。
諧xie波bo會hui導dao致zhi繼ji電dian保bao護hu，特te別bie是shi微wei機ji綜zong合he保bao護hu器qi與yu自zi動dong裝zhuang置zhi誤wu動dong作zuo，造zao成cheng不bu必bi要yao的de供gong電dian中zhong斷duan和he生sheng產chan損sun失shi。諧xie波bo還hai會hui使shi電dian氣qi測ce量liang儀yi表biao計ji量liang不bu準zhun確que，產chan生sheng計ji量liang誤wu差cha，給gei用yong電dian管guan理li部bu門men或huo電dian力li用yong戶hu帶dai來lai經jing濟ji損sun失shi。
（5）使工控係統崩潰
臨近的諧波源或較高次諧波會對通信及信息處理設備產生幹擾，輕則產生噪聲、降低通信質量、計算機無法正常工作，重則導致信息丟失，使工控係統崩潰。
諧(xie)波(bo)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)危(wei)害(hai)如(ru)此(ci)之(zhi)嚴(yan)重(zhong)，世(shi)界(jie)各(ge)國(guo)都(dou)對(dui)諧(xie)波(bo)問(wen)題(ti)予(yu)以(yi)充(chong)分(fen)關(guan)注(zhu)。國(guo)際(ji)上(shang)召(zhao)開(kai)了(le)多(duo)次(ci)有(you)關(guan)諧(xie)波(bo)問(wen)題(ti)的(de)學(xue)術(shu)會(hui)議(yi)，不(bu)少(shao)國(guo)家(jia)和(he)國(guo)際(ji)學(xue)術(shu)組(zu)織(zhi)都(dou)製(zhi)定(ding)了(le)限(xian)製(zhi)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)諧(xie)波(bo)和(he)用(yong)電(dian)設(she)備(bei)諧(xie)波(bo)的(de)標(biao)準(zhun)和(he)規(gui)定(ding)。國(guo)標(biao)GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》規定的公用電網諧波電壓（相電壓）限值和諧波電流允許值分別見表1-1和表1-2：
表1-1 公用電網諧波電壓（相電壓）限值
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電網標稱電壓（kV）
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電壓總諧波畸變率（%）
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各次諧波電壓含有率（%）
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奇 次
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偶 次
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0.38
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5.0
|
4.0
|
2.0
|
|
6
|
4.0
|
3.2
|
1.6
|
|
10
|
|
35
|
3.0
|
2.4
|
1.2
|
|
66
|
|
110
|
2.0
|
1.6
|
0.8
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表1-2 注入公共連接點的諧波電流允許值
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標稱電
壓（kV）
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基準短路
容量（MV.A）
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諧波次數及諧波電流允許值（A）
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2
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3
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4
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5
|
6
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7
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8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
13
|
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0.38
|
10
|
78
|
62
|
39
|
62
|
26
|
44
|
19
|
21
|
16
|
28
|
13
|
24
|
|
10
|
100
|
26
|
20
|
13
|
20
|
8.5
|
15
|
6.4
|
6.8
|
5.1
|
9.3
|
4.3
|
7.9
|
|
|
14
|
15
|
16
|
17
|
18
|
19
|
20
|
21
|
22
|
23
|
24
|
25
|
|
0.38
|
10
|
11
|
12
|
9.7
|
18
|
8.6
|
16
|
7.8
|
8.9
|
7.1
|
14
|
6.5
|
12
|
|
10
|
100
|
3.7
|
4.1
|
3.2
|
6
|
2.8
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5.4
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2.6
|
2.9
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2.3
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4.5
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2.1
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4.1
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2、諧波的治理
傳統的LCwuyuantiaoxielvboqidefangfakeyijiangdixiebodianliu，youkeyibuchangwugonggonglv，erqiejiegoujiandan，guyizhibeiguangfanshiyong，danzhezhongfangfadezuidaquedianjiushiqixingnengyaoshoudianwangzukangheyunxingzhuangtaideyingxiang，yihexitongfashengbinglianxiezhen，daozhixiebodianyafangda，ruguobaohucuoshibudeli，shenzhishiLC濾波器過載或燒毀。有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是“用戶電力技術”中zhong一yi種zhong非fei常chang重zhong要yao的de裝zhuang置zhi，它ta能neng抑yi製zhi電dian流liu諧xie波bo及ji閃shan變bian等deng，用yong以yi補bu償chang負fu荷he電dian流liu中zhong的de諧xie波bo和he無wu功gong，使shi電dian源yuan側ce電dian流liu保bao持chi為wei正zheng弦xian波bo，從cong而er防fang止zhi諧xie波bo對dui電dian網wang的de汙wu染ran和he提ti高gao功gong率lv因yin數shu。這zhe種zhong補bu償chang器qi主zhu要yao用yong在zai對dui非fei線xian性xing負fu荷he所suo產chan生sheng的de諧xie波bo源yuan進jin行xing治zhi理li。
安科瑞電氣股份有限公司開發的ANAPF係列有源電力濾波器，采用實時的檢測方法，得到電網電壓或電流中的波動、不對稱、諧波等畸變分量，利用快速的電力電子功率器件（IGBT）產生與其相反的波形，再將其抵消掉。原理如圖2-1所示：
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圖2-1 ANAPF有源電力濾波器原理圖
3、有源濾波案例
某卷煙廠動能車間卷接配電室，配置兩台2000KVA的幹式變壓器，由於其負卷包車間使用了大量變頻器，曾引起電抗器損壞、低壓開關燒毀，我們使用FLUKE434電能質量分析儀對其中一台變壓器負載進行測量，測試點位於電容補償後負載前的母排，測量發現變壓器副邊側5次電流諧波達到148A，7次諧波電流達到45A，從波形上明顯看到畸變嚴重。總電流為746A，畸變率為22.2%，總的諧波電流可以計算出為746×22.2%=165.61A。
治理方案：在變壓器副邊側並聯接入200A有源電力濾波器對其諧波進行集中治理，使係統正常運行不受諧波危害。方案如圖3-1所示。
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圖3-1 ANAPF集中治理方案圖
安科瑞ANAPF有源電力濾波器的技術參數見表3-1和表3-2。
表3-1 ANAPF有源電力濾波器技術參數
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接線方式
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三相三線或三相四線
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接入電壓
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3×380V ±10%
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接入頻率
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50Hz ±2%
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全響應時間
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＜20ms
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開關頻率
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10kHz
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功能設置
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隻補償諧波、隻補償無功、既補償諧波又補償無功
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諧波補償次數
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2-31次
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保護類型
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直流過壓、IGBT過流、裝置過溫
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冷卻方式
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強製風冷
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噪音
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＜ 65dB
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工作環境溫度
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-10℃～+45℃
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工作環境濕度
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＜85%RH 不凝結
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安裝場合
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室內安裝
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海拔高度
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≤1000m（更高海拔需降容使用）
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進出線方式
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下進下出（根據客戶要求）
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防護等級
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IP20
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智能通信接口
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外加模塊
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安裝方式
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立櫃式
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壁掛式
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抽屜式
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補償電流大小（A）
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50/75/100/150/200/250/300
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50/75/100
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50/75
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50/75
|
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外形尺寸(mm)
(W×D×H)
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800×800×2200
800×1000×2200
1000×1000×2200
（其他尺寸可定製）
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600×600×1800
（其他尺寸可定製）
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580×305×600
（其他尺寸可定製）
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540×570×240
（其他尺寸可定製）
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表3-2 ANAPF有源濾波器報價及主要元件清單
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型號：ANAPF200-380/B
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參考價格：36萬元/台
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主要產品清單
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序號
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名 稱
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數量
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1
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APF櫃體
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1
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2
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APFCOV-200-G變流器
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1
|
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3
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APFCOV-200控製器
|
1
|
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4
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APFRE-200-Y電抗器
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1
|
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5
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電流互感器
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3
|
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6
|
濾波器
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2
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|
7
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風機
|
2
|
|
8
|
接觸器
|
2
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9
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塑殼斷路器
|
1
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10
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變壓器
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1
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11
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彩色觸摸顯示屏
|
1
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注：以上技術參數或器件名稱、數量如有更改，恕不另行通知。
4 諧波治理效果
安裝200A有源電力濾波器後，電流畸變率得到大幅度下降，電流波形圖由投入前的不規則變為投入後的接近正弦波。治理前後波形如圖4-1所示。同時功率因數得到提高，減少了線路的功率損失，提高了電網輸電效率，可節約電能，降低生產成本，減少企業的電費開支。
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圖4-1 治理前後波形對比
5、諧波治理經濟效益
配電係統中無功主要靠無功櫃補償，但是諧波對無功櫃內電容的損害非常嚴重。電容器的壽命跟加在電容上的電壓、電容運行環境溫度和電容器投切次數密切相關。根據著名電容器廠商EPCOS的測試數據，電容器運行壽命可以用以下公式表示：
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其中LE為電容實際運行壽命；LEn是電容器期望壽命；Xv是電壓係數；Xt是溫度係數；Xs是投切係數。係數關係表如表5-1：
表5-1 電容實際壽命與電壓、溫度及切頭次數關係
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LE=LEn*Xv*Xt*Xs
|
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LE=LEn*Xv
|
LE=LEn*Xt
|
LE=LEn*Xs
|
|
Uc=1.10Un
|
Xv=0.50
|
Tav=42℃
|
Xt=0.5
|
5000/a
|
damping
|
Xs=1
|
|
Uc=1.05Un
|
Xv=0.70
|
Tav=35℃
|
Xt=1.0
|
10000/a
|
damping
|
Xs=0.7
|
|
Uc=1.00Un
|
Xv=1.00
|
Tav=28℃
|
Xt=1.2
|
5000/a
|
no damping
|
Xs=0.4
|
|
Uc=0.95Un
|
Xv=1.25
|
|
|
10000/a
|
no damping
|
Xs=0.2
|
|
Uc=0.90Un
|
Xv=1.50
|
|
|
Thyrister Switches
|
Xs=1
|
以EPCOS電容器為例，正常工作電壓400V，工作溫度35℃，每年投有阻尼切次數不大於5000次，那麼該電容器的使用壽命即為正常壽命。
在諧波環境下工作的電容，由於電容對諧波呈低阻抗特性，所以首先溫度會大大上升，溫度Xt將變小；由於有諧波會產生壓降，為提高功率因數，電容電壓必須大於線電壓，這導致電壓係數Xv也變小；另外高溫會導致電容容值下降，為保證功率因數，電容投切次數必然上升，切投係數Xs同時減小。因此根據上述公式可以算出LE=LEn*0.5*0.5*0.4=0.1LEn，也即在諧波環境下工作的電容壽命為正常環境下電容壽命的十分之一！
由於諧波環境下電容器更容易損壞，頻繁的更換電容直接導致硬件成本的上升；另(ling)外(wai)電(dian)容(rong)櫃(gui)是(shi)供(gong)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)提(ti)供(gong)無(wu)功(gong)最(zui)大(da)的(de)電(dian)器(qi)櫃(gui)，電(dian)容(rong)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)必(bi)然(ran)會(hui)導(dao)致(zhi)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)下(xia)降(jiang)，繼(ji)而(er)會(hui)因(yin)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)低(di)而(er)被(bei)罰(fa)款(kuan)。以(yi)電(dian)容(rong)正(zheng)常(chang)壽(shou)命(ming)5年計算，在諧波環境下運行的電容半年就要更換。該卷煙廠每台變壓器配有無功ABB電容器，單個25Kvar，共800kvar。ABB電容器價格在2000元左右，在與該卷煙廠現場工作人員交流中了解到，平均每月都會更換一個電容。也即一年僅更換電容就有24000元的經濟損失。由於諧波影響，電容壽命為正常壽命的十分之一，也即更換頻率為正常的10倍！這並不包括由於電容容量的降低使得功率因數低而罰款和這期間各種其他間接損失。由此可以看出諧波產生的直接經濟損失十分巨大。
6 結束語
近年來，變頻器因其驅動電機係統節能明顯、tiaojiefangbiandengyoudianbeiguangfanyingyongyudalianggongchang，dantongshiyinqifeixianxinggongzuofangshichanshengdegaocixieboyegeidianwangxitongdailaileyidingdeyingxiang，qiweihaiyibukehushi。duiyudiannengzhiliangyaoqiuyuelaiyueyangedejintian，binglianxingyouyuandianlilvboqishiyizhongtebieshiheyancaoxingyexiebozhilideyouxiufangan。ANAPF有源電力濾波器能很好的抑製電網中的諧波汙染，極大改善電網的電能質量，良好滿足設備的運行要求和國家標準。
參考文獻
[1]能源部電力司.GB/T14549-93電能質量 公用電網諧波[S].北京：中國標準出版社，1994.
[2]王萍.諧波治理在卷煙行業變配電中的應用.
[3]安科瑞電氣有源電力濾波器選型手冊2014.1版.
作者簡介：
趙斌，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電力電子及諧波治理。技術交流：021-69158305 手機： 郵箱：
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