關于半導體電子類廠房諧波治理的探討以及相關治理方案

時間：2022-12-22

作者：安科瑞電氣股份有限公司

摘要：各式各樣的電力電子裝置在運轉過程中都會產生諧波，污染電力系統(tǒng)，導致諧波危害越來越嚴重，成了電網大公害?；诖?，本文探討了諧波產生的原因以及影響，針對當前諧波治理措施進行了總結。

關鍵詞：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，大部分電子產品采用了非線性的可控變流裝置、變頻調速裝置等符合設施，其產生的諧波問題導致了公用電網電能品質降低。因此，相關工作人員需要知曉諧波產生的原因及影響，便于今后做好防控和治理，提升電能品質。

1發(fā)生諧波的主要因素及其諧波源的剖析

1.1發(fā)生諧波的主要因素

現階段，需要把電網當中的頻率為工頻整數倍成分的諧波，以及基波頻率非整數成分的間接諧波作為主要諧波關注點，并且二者皆是電網電能質量附著臟東西的主要因素。然而，在電力系統(tǒng)中諧波發(fā)生重點諧波源就是電力變壓器。其問題出現在激磁電流、鐵心飽和與三相電路荷磁路不對稱，造成在變壓器三角繞組的線電壓與線電流會出現三次諧波分量，尤其是低谷時期，電網逐步提升電壓，而變壓器鐵心飽和使情況變得較加糟糕，諧波發(fā)生的數量逐漸增高。隨后電網中電容裝置的大數量的運用，經過當場諧波實際檢測結果得知，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，實際還會擴張到全電網，導致電容裝置及其電網穩(wěn)定運行有一定風險。

1.2諧波源的剖析

電力電子設備產生的諧波

當前整流器、變頻器、開關電源、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設備。在工業(yè)與日常生活用電范圍內會運用到基礎設備與電路，感性負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載，而諧波數量與電容數值大小相聯系，即電容數值提升，導致諧波數量隨之變大。

可飽和設備

可飽和設備屬于非線性設施，將電弧設施和電力電子設施做對比，可飽和設備上的諧波在未飽和的情況下，實際中的諧波幅值可忽略不計。其中變壓器、電動機、發(fā)電機等屬于可飽和設備。

電弧爐及其氣體電光源設備產生的諧波

首先，實踐中電弧爐設備在治煉金屬過程中非線性作用能生成很多的諧波。其次，氣體電光源設備依照氣體釋放電光源伏安特性。產生的非線性特性有一定作用，同時出現負的伏安特性。由于鎮(zhèn)流器非線性有很大影響，這里面三次諧波具有數量在百分之二十之上，其對稱函數是特性，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備。

2諧波產生的干擾

2.1諧波對電網產生的影響

首先，導致電網功率消耗變大、設備試用時間降低、接地保護功能和遙控功能出現異常、線路與設備熱量變大等，特別是三次諧波導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值，致使設備不能平穩(wěn)運行。因此，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網中發(fā)生，則會將運行正常的供電停止、情況嚴重、電網解裂等情況發(fā)生。其次，諧振造成變電站局部并聯與串聯，致使電壓互感器設施損壞；造成變電站系統(tǒng)當中的設備與元件生成附加的諧波損耗，導致電力變壓器、電力電纜、電動機等設備溫度上升，電容器損壞，進而促進了絕緣材料發(fā)生質變的速率；造成斷路器電弧熄滅時長變長，阻礙斷路器正常開端功能；導致電子元器件的繼續(xù)電保護或主動裝置發(fā)生操縱失誤；阻止了電子儀表與通信系統(tǒng)的正常化運行，減少通信質量；增加接近電磁振蕩。

2.2對用電安全造成的影響

**，失火造成災害。有些意外失火狀況的起因多數跟電力諧波有聯系。現階段節(jié)能燈、調光器設施中關開電源很普及，較初為了節(jié)約能源，之后這些設施卻產生了諧波源，導致電網的危險系數增加。在相關測驗之后，運用電器設施很多的酒店、寫字樓、小區(qū)等，如果不做濾波等舉措，較終中性線電流很強，嚴重的**出線電流，就會變成失火的潛在安全風險。

*二，有關設備損壞。電能質量附著上臟物會帶給繼電保護、計算機系統(tǒng)與精細儀器和機械等，造成其不能平穩(wěn)運轉和操控，減少設施利用期限，進而導致繼電保護錯誤操作出現可避免的意外損失，造成不同情況的干擾。

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

2.3諧波對于電氣設備產生的影響

**，電力電容器產生的影響。而電容器在電網無功配置容量中占有比重很大，其中少數電容器安排只參照無功補償量，不會參照裝置點電能質量現實存在的污染狀況。至此，運行點電能質量標準過低，經常出現意外損失，比如：安裝不了補償裝置、分開電容器保護熔絲，惡劣情況下會出現串聯并聯諧振，造成電容器諧波過電壓與過電流，導致電容器開裂。

*二，變壓器產生影響。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磁電流所包含，致使合閘涌流之后諧波電流提升，出現的諧波電流導致諧振問題，結果造成變壓器的日常運行有風險。

*三，同步發(fā)電機產生的影響。在系統(tǒng)里面的同步發(fā)電機中流入負序電流與諧波電流，造成多余的損耗，導致發(fā)電機局部過熱，絕緣力度降低。由于多余諧波分量在輸出電壓波形產生，導致扭振現象在負載同步發(fā)電機轉子中發(fā)生，運用時間縮短。

*四，斷路器產生的影響。局部斷路器磁吹線圈不能正常運行是由諧波造成的，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，導致中壓斷路器阻止電流，則會使諧頻涌波電壓與重燃情況發(fā)生，導致斷路器觸頭斷開。

*五，自動控制器產生的影響。現如今，數字控制技術已投入到較加廣泛領域，諸多精細負載針對受電電能質量指標有較高要求。基于此，電能質量被沾上臟物則會導致設備的監(jiān)測模塊中引發(fā)畸變量、擾亂一般分解計算、造成出錯的輸出的損害。

3電子廠房諧波的治理策略

3.1采取主動措施，減少電子設備諧波含量

多脈波變流技術

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

脈寬調制技術

主要思路為把控PWM輸出波形中各種轉換時刻,確保四分之一波形的對等性。促使應該消滅的諧波幅值為零，基波幅值為給定量，實現消滅*諧波和把控基波幅值的目標。

多電平變流技術

對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側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聯。

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調諧電路，可以為諧波供給并聯低阻通路，產生濾波影響。采取電容能夠補足無功功率，改變電網功率因數。介于PPF構造不復雜，生成、運轉消耗小及其技術需求低等優(yōu)勢變?yōu)楦淖冸娔苜|量的設備。介于構造上面因素，致使PPF有許多不容易解決的難題，例如：濾除*此諧波，諧波補足頻帶較窄，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有關原理。主要經過檢查電網中諧波電流，之后把控逆變電路生成相對應補充電流分量匯入電網實現消除諧波結果。并聯型APF則適合于感性電流源負載諧波補充。串聯型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載對系統(tǒng)的作用。串-并聯型APF兼顧有串、并聯APF的功能。APF特點不會受到系統(tǒng)阻抗作用，不能和電網阻抗發(fā)生串聯和并聯諧振的狀況，并且對外部電路諧振具備阻尼影響。另外,APF具備很高操控性可和較快反應性，不但可以補充各次諧波，也可以抑制無功電流，具有合適價格。

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)承擔電網電壓和負載的基波電流，簡單引起負載電流和電網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，采取串聯有源濾波器變大高次諧波阻抗而對基波無作用的性質，能夠改變無源濾波器的濾波成效，避免和電網聯系產生諧振，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。

4安科瑞電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)在電子廠房的解決方案

安科瑞電氣提出的電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質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，從產品、系統(tǒng)、服務等不同方面來滿足電子廠房的需要，為電子廠房的整體運作創(chuàng)造**。

4.1方案特點

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

?采用全控型技術實現**電能質量；

?專業(yè)化的電能質量監(jiān)測：電能質量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合IEC61000-4-30標準；

?電能質量監(jiān)測與治理系統(tǒng)裝置采用整體設計，并可通過上位平臺實現統(tǒng)一管理和閉環(huán)控制；

?高品質電能質量治理：配套電力電子裝置技術過關、質量過硬，具備網絡化、可調控、快速響應的性能；

?電能管理務業(yè)務綜合協同：配電監(jiān)控管理與運維、電能分析與電能質量數據共享融通，為電子廠房的電能供給與消費提供控制手段。

4.2方案**

全面監(jiān)測電能質量，**供電可靠性

對供電回路的電氣參數進行全面監(jiān)測，確保設備用電符合標準要求。微秒級故障錄波與SOE告警能夠及時記錄故障發(fā)生時全部數據信息，支持開展故障追蹤與問題。

完整電能質量治理

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

5安科瑞電能質量監(jiān)測與治理產品選型

5.1集中治理

針對電子廠房行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的空調、風機、電動機等電器設備及數量較多的計算機等網絡通信設備，為減少諧波對電網側的危害，同時確保無功功率因數達到標準要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進行電能質量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產品選型見表1。

表1電能質量監(jiān)測及集中治理產品選型表

5.2末端治理

電子廠房各個生產車間內，單晶爐、多晶爐、IC測試臺、PLC控制的機械手、芯片制造用的晶圓機或變頻控制的半導體機臺都會產生大量的諧波，它們不但會造成機臺設備自身的壞機現象，回流進電網的諧波電流還會引起其它回路的發(fā)熱、電子開關誤動作、供電電壓不穩(wěn)，甚至引起生產線停線、半成品的報廢。其損失不可謂不大。而且高能設備如：外延設備、擴散設備、離子注入設備的頻繁加卸載，較加重了用電環(huán)境的惡化。針對上述負載情況，建議在各個重要設備的配電箱增加電能質量補償設備進行就地治理，以達到末端治理諧波的目的，避免影響到整個配電系統(tǒng)的和其他的用電設備。其末端治理的產品選型見表2。

表2末端治理產品選型表

6結論

諧波污染狀況越來越加重隨即引發(fā)大家的較度關注，再加上對現有諧波實際存在狀態(tài)有一定了解和相應處理措施，為了較高效實現抑制諧波成效，針對不一樣諧波源負載需要采取對應結構濾波裝置才能達到消除諧波效果。

安科瑞陳琪

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