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淮亞利
安科瑞電氣股份有限公司 嘉定 201801
1 前言
隨著電力電子變流裝置的應用日益廣泛，電能得到了更加充分的利用。但非線性電力裝置設備的廣泛應用產生了大量畸變的電流諧波，畸變電流在電網中的流動導致了諧波電壓；諧波污染越來越多地威脅到電力系統安全、穩定、經濟運行，給同一網絡的線性負載和其它用戶帶來了極大影響。諧波已與電磁干擾、功率因數降低并列為電力系統的三大公害。所以了解諧波產生的原理、研究消除供配電系統中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統安全經濟運行有著非常積極的意義。諧波測量是諧波問題中的一個重要分支，對抑制諧波、解決諧波產生的問題有著重要的指導作用。因此對諧波的測量和分析是電力系統分析和控制中的一項重要工作，是繼電保護、故障測量等工作開展的重要前提。
ANAPF系列有源電力濾波裝置，以并聯方式接入電網，通過實時檢測負載的諧波和無功分量，采用PWM變流技術，從變流器中產生一個和當前諧波分量和無功分量對應的反向分量并實時注入電力系統，從而實現諧波治理和無功補償。
它具有改善供電質量、提高功率因素和設備利用率、節約能源降低損耗等多種功能，從而獲得明顯的經濟效益，投資回收年限一般為1～2年。本文以某化工廠為例，就低壓諧波濾波裝置的技術經濟性能作簡單的介紹。
- 用戶用電情況簡況
某化工廠2010年負荷配電變壓器容量5.2MVA，有1.6MVA配電變壓器兩臺，2.0MVA配電變壓器一臺，配電變壓器高壓側電壓10kV，低壓側為0.4kV，產生諧波的設備主要是整流柜，整流設備容量為1.344MVA。集中接于1號配變的（1.6MVA）0.4kV側，如簡圖1所示。整流設備產生的主要諧波電流有5次、7次、11次、13次電流，其實測值見表1。
1號配變原來裝有0.4kV側的無功補償電容器近600kvar，運行兩年來已先后損壞更換約60%，由于無功不足，按力率調整電費每年多交10多萬元（2010年統計）。
為消除諧波的不良影響，降低生產損耗，延長設備壽命，提高生產效率和產品質量，同時也為滿足無功補償的要求，某化工廠用低壓諧波濾波器裝置代替了原來的補償電容器組。
表1 1號配電變壓器總線測試值
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諧波次數
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5
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7
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11
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13
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電流（A）
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483
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312
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176
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184
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- ANAPF有源電力濾波裝置
3.1 ANAPF有源電力濾波裝置技術參數
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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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動態補償響應時間
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動態響應＜4ms，全響應時間＜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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只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功；手動、自動切換。
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諧波補償次數
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2-21次
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保護類型
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直流過壓 IGBT過流 裝置溫度保護
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過載保護
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自動限流在設定值，不發生過載
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冷卻方式
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智能風冷
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噪音
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＜ 65db(處于柜內并運作于額定狀態)
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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
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防護等級
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IP21
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智能通信接口
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RS485/MODBUS-RTU
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遠程監控
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可選
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外形尺寸(mm)
(W×D×H)
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30A
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50A
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75A
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100A
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600×500×1500
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600×500×1500
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600×500×1800
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800×600×2200
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重量(kg)
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三相四線
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三相三線
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30A、50A
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75A、100A
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30A、50A
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75A、100A
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280
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360
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240
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290
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3.2 無功補償與電力濾波兼顧
同一般低壓電容補償設備相比，ANAPF有源諧波濾波裝置除具有無功補償作用外，還具有濾波能力，使用戶注入系統的諧波電流大大降低，表2～3是某化工廠在兩組不同用電條件下的實測數據分析。
從表2可以看出，裝設諧波濾波裝置前，原有電容補償支路和負荷及配電變壓器之間構成并聯諧振回路使電容及配電變壓器的諧波電流明顯放大，其諧振點在13次附近。
表3反映了投入諧波濾波裝置后使用戶的各項電能指標得到明顯改善；無供需量減少50%，功率因素從0.734提高到0.917,電壓及電流畸變均減少了一半。
ANAPF有源濾波裝置投入使用后，吸收整流設備產生的大部分高次諧波電流，大大減少對電網污染。1號變壓器0.4kV側投入諧波濾波裝置后，注入系統的諧波電流值5次從301A降至108A，7次從132A降至36A，11次從48A降至24A，13次從36A降至12A；對5、7、11、13次諧波的吸收效率分別是64%、72%、50%、66%。
表2 原有電容補償設備對各次諧波電流的影響（0.4kV側）
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工 況
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In/I1(%)
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3
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5
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7
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11
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13
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原有補償電容投入后
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4.6
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33.8
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16.9
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9.2
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18.4
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原有補償電容退出后
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4.6
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26.1
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10.7
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3.0
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1.5
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表3 諧波濾波裝置對電能質量的改善
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工 況
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母線電壓（V）
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母線電流（KA）
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功率因素
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三相視在功率（MVA）
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三相有功功率（MW）
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三相無功功率（Mvar）
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電壓總畸變率（THDy）
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電流總畸變率（THDI）
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諧波濾波裝置投入前
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389.4
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2.3
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0.734
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1.57
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1.15
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1.067
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5.3%
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14.57%
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諧波濾波裝置投入后
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397.3
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1.834
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0.917
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1.26
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1.15
|
0.53
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2.55%
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7.3%
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3.3 ANAPF有源電力濾波裝置主要技術特點
使用方便，易于操作和維護。DSP+FPGA全數字控制方式，具有極快的響應時間；先進的主電路拓撲和控制算法，精度更高、運行更穩定；模塊化設計，便于生產調試；便利的并聯設計，方便擴容；具有完善的橋臂過流、保護功能；
3.4 諧波抑制及治理的容量設計
3.4.1諧波電流估算
諧波是由非線性設備產生的，而每種設備的實際工作狀態都不同。因此實際諧波電流需采用專門設備進行測量，考慮到設備的技術及經濟性，設計諧波治理裝置的額定諧波補償電流應略大于系統諧波電流。由于諧波電流本身的測量與計算比較復雜，況且在設計時往往很難采集到足夠的電氣設備使用中的諧波數據，可以根據下列公式以對諧波電流進行估算。
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其中K1為負荷率：即負荷占變壓器額定容量的比例，通常取0.7-0.8；
K2諧波系數，根據系統場合不同而不同；
ST為變壓器額定容量，單位kVA；
US為低壓系統電壓，一般取0.4。
3.4.2 諧波補償裝置容量選型
補償電流選擇原則：根據估算得到諧波電流值。
如采用無源諧波抑制，可根據無功容量每千乏（kVar）折算成電流后按0.2-0.3的系數折算成諧波抑制電流，如100 kVar消諧式無功補償電流為144A，按系數0.2折算即抑制28.8A的諧波電流。
如采用有源濾波裝置，可根據濾波方案選擇框圖中的估算值進行設計選型。
例：某公司配電變壓器容量為150kVA，變壓器變比為10/0.4kV，K1取值為0.8，K2取值為25%，試求選用電流等級為多少的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需要。
根據電流諧波公式為：
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考慮到要有一定有裕量，選用50A的有源電力濾波器
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故選用容量為35kVA的有源濾波器即可滿足抑制諧波的需求。
3.5 ANAPF有源電力濾波裝置價格及主要元件清單
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型號：ANAPF50-400/B
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參考價格：7.5萬元/臺
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主要產品明細：
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序號
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名 稱
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型 號
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數量
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1
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APF電氣柜
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600X500X1800
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1
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2
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變流器
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APFCOV-CVT50
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1
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3
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控制器
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APFMC-C50
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1
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4
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電抗器
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APF-RE.(S)DG-50
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1
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5
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有源電流互感器
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LT108-S7
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3
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6
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濾波器
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DL-1TH1
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2
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7
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斷路器
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NSE100N4063
|
1
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8
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接觸器
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LC1D65 M7C
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1
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9
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微型斷路器
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NDM1-63C32
|
1
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10
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中間繼電器
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MY4NAC
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2
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11
|
R型變壓器
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R320-0.38/0.22
|
1
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12
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諧波檢測儀
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ACR350EGH
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1
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13
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電線
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16mm2
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若干
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14
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電線
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4mm2
|
若干
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4 濾波補償裝置經濟效能
- 功率因素提高：裝置投入后功率因數提高至0.9以上，力率調整費變罰為獎，即過去因無功不足每月需交力率調整費近萬元，裝設補償濾波裝置后功率因數提高，每月獎勵力率調整費500多元。
- 增容降低損：由于裝設濾波補償后，能進行有效的就地無功補償，1號配變相當于增加310kVA，同時，損耗大大降低，2012年3月至11月，某化工廠節約電費開支20.5萬元，產品用電單耗由514Kw.h/t，降為475.5 Kw.h/t，降幅為7.5%。
- 提高產品合格率：濾波補償裝置投入后，諧波減少，電壓穩定，電能質量明顯改善，因而提高產品質量，一級品率由97.1%提高到98.29&，2012年增加一級品型材近100t。
- 延長設備壽命：濾波補償裝置投入后，負荷電流和諧波電壓、諧波電流的減少使設備的發熱損耗降低，振動減少，整流元件損壞率降低、設備絕緣老化減緩，故障率下降，因而提高了安全運行水平。設備壽命的延長，單電容而言，過去該廠損壞約200kvar電容器，濾波補償裝置投運近2年來，裝置本身各元件正常運行無故障。
5 結語
綜合所述，諧波濾波裝置兼顧了補償和濾波功能，諧波濾波裝置投運后，不僅濾去了5、7、11、13次諧波，各次諧波含量均符合《電能質量·公用電網諧波》允許的諧波電流值的要求。而且還補償了無功，使功率因數達到了0.9以上，杜絕了電費罰款現象。由于濾除了諧波，減少了對供電系統的污染，保證裝置運行正常。諧波濾波裝置具有極強的濾波能力，是消除諧波污染和危害的根本措施，所以應大力推廣使用。
【參考文獻】
[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功率補償[M].機械工業出版社，1998.
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[4]史承逵.電網電容器組的諧波諧振和諧波放大的研究.安徽電力職工大學學報[J].2001(7)
[5]王建元，紀延超.一種自動無功功率補償模糊控制策略的研究[J].中國電力，2002,（2）：41-43.
[6]安科瑞電氣股份有限公司產品手冊.2013.01.版
作者簡介：
淮亞利，女，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為智能電網供配電，Email: 2880157850@qq.com手機：13524826678 QQ:2880157850
《ANAPF有源電力濾波裝置設計與應用圖集》（圖集號：ACR13CDX701）由安科瑞電氣股份有限公司主編，本圖集結合ANAPF有源電力濾波裝置產品的特點，依據電氣設計規范，研究消除供配電系統中的高次諧波問題，達到改善供電質量和確保電力系統安全運行的目的。圖集適用于新建、改建、擴建和技改項目中工業與民用及公共建筑內電氣設備的諧波抑制及綜合治理的設計與改造。凡需要圖集的請提供貴單位名稱、部門、地址、郵編、聯系人、聯系電話、郵箱等信息，傳真:021-69155906、郵件:2880157850@qq.com或QQ*:2880157850至安科瑞淮亞利工程師收，安科瑞電氣免費贈送。
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