引言
為了提高污水處理工藝的處理能力和控制水平,污水處理廠大量使用了非線性特性的用電設備,如變頻器、臭氧發(fā)生器、磁懸浮風機等。雖然這些改進使污水處理廠的運行效果提升明顯,但這些設備所產(chǎn)生的大量諧波給供配電系統(tǒng)帶來了極大的不穩(wěn)定性,嚴重的還會損毀系統(tǒng)中的電氣元件和用電設備,造成污水處理廠的運行中斷。
1事故現(xiàn)象
某化工園區(qū)污水處理廠采用sCB11-2500kVA干式變壓器,變壓器低壓側配有兩臺電容補償柜,補償容量為1000kvar,柜內(nèi)為接觸器（負荷開關）投切,且均為自動投切。在污水處理廠調(diào)試運行過程中,運行值班人員在巡檢時發(fā)現(xiàn)低壓配電室的電容補償柜內(nèi)有一組電容器和電抗器燒毀,其他未受損且投入運行的電容器和電抗器經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)溫度均在80～100℃,同時變壓器的噪聲和溫度明顯增加,現(xiàn)場75kw外排泵的配套變頻柜內(nèi)噪聲也有所增大,且位于外排泵附近的部分儀表（兩臺Cos61D溶氧儀、兩臺FMU90超聲波液位計、一臺FMx21靜壓液位計）顯示數(shù)值異常。顯示異常的儀表在返廠檢修后發(fā)現(xiàn)儀表內(nèi)主板均有不同程度的損壞。
2事故原因檢測
根據(jù)上述事故發(fā)生后用電設備的損毀情況描述,結合該污水處理廠的實際運行情況,初步判斷是供配電系統(tǒng)有諧波干擾問題。針對該問題,污水處理水廠委托第三方電能檢測機構對事故發(fā)生點進行了電能質量測試。
主要監(jiān)測參量:交流電壓/電流有效值、電壓/電流相位不平衡、電壓/電流頻譜圖、總諧波畸變率、50次以內(nèi)的諧波含量、電壓/電流的峰值因數(shù)、電壓閃變、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓/電流的瞬態(tài)值及波形。
監(jiān)測數(shù)據(jù)結果的分析依據(jù)為相關的國家規(guī)范標準要求,具體如下:
（1）公共電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。
（2）公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應超過表2中規(guī)定的允許值。
（3）當電網(wǎng)公共連接點的最小短路容量不同于表2基準短路容量時,按以下公式進行修正:
式中,sk1為公共連接點的最小短路容量:sk2為基準短路容量:Inp為表2中的第n次諧波電流允許值:In為短路容量為sk1時的第n次諧波電流允許值。
（4）在公共連接點處第i個用戶的第n次諧波電流允許值（Ini）按以下公式進行計算:
式中,si為第i個用戶的用電協(xié)議容量:st為公共連接點的供電設備容量:α為相位迭加系數(shù),按表3取值。
3事故原因分析
本次電能質量測試選取的三處測試點A/B/C的諧波監(jiān)測結果均不合格,針對該結果進行以下具體分析:
（1）測試點A為3臺152kw的臭氧設備的電源進線端,2用1備。在污水處理廠運行期間,臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時,電流存在斷續(xù)工作的情況,諧波電流波動范圍值為33～284A（圖1）,數(shù)值波動很大,且變化周期短。在有電流工作狀態(tài)時,可以檢測到諧波電流,反之,無諧波電流。當臭氧設備處于電流斷流和有電流交替的工作狀態(tài)時,產(chǎn)生的諧波電流就會非常大。
（2）測試點B為4臺75kw外排泵變頻柜的電源進線端。經(jīng)測試,該變頻柜滿載后產(chǎn)生的諧波含量在35%左右,且返廠維修的5塊在線儀表的安裝位置都集中在外排泵的附近區(qū)域。變頻器的整流是通過使用晶閘管等非線性電力電子元件實現(xiàn)的,這種方式可以很好地滿足處理水量的變化和處理工藝的變化,提高污水處理的效率,但在變頻器輸入側和輸出側產(chǎn)生的諧波會直接影響整個供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,尤其是在同一線路中裝有數(shù)量較多或功率較大的變頻器時,對電網(wǎng)的沖擊就會更大。
(3）測試點C為變壓器二次側總出線端。受測試點A和B的諧波疊加影響,事故發(fā)生時,電網(wǎng)中很有可能產(chǎn)生了局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,進而使系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流值大大超過了測試點A處的電容柜內(nèi)電容器和電抗器的電流限值,導致部分投用的電容器和電抗器迅速燒毀,同時對電網(wǎng)內(nèi)的其他用電設備也造成了不同程度的影響。
4諧波治理方案
通過上述分析,可得出該污水處理廠供配電系統(tǒng)內(nèi)存在比較嚴重的諧波問題。針對該問題,提出就地諧波治理和集中諧波治理同時進行的方案。
4.1就地治理方案
針對該污水處理廠臭氧設備在運行時電流波動較為嚴重并伴有諧波振蕩的問題,要求臭氧設備廠家在保證臭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下,根據(jù)系統(tǒng)工藝對臭氧需求量變化的要求,優(yōu)化運行模式,盡可能地減小臭氧設備電流波動對整個電網(wǎng)的影響。
污水處理廠使用的4臺75kw外排泵變頻器運行時電流較大,且滿載諧波含量嚴重超標(圖2）,建議在變頻器輸入側和輸出側加裝變頻器原廠配套的消除諧波影響的配件。首先,在輸入側加裝交流電抗器,有效增大輸入側的阻抗,減弱系統(tǒng)電源波動對變頻器的沖擊。其次,在輸出側加裝濾波器,減小輸出側的高次諧波與浪涌電壓,防止變頻器產(chǎn)生的諧波干擾影響到周圍其他電氣設備和儀表。
4.2集中治理方案
根據(jù)該污水處理廠電能質量的實測結果,變壓器二次側含有多種諧波成分,且諧波含量復
雜,建議安裝有源濾波器。有源濾波器可濾除的諧波次數(shù)范圍廣（可濾除2～60次諧波）,響應
速度快,且在其額定功率下,諧波電流濾除率可高達95%。在總配電室配套安裝有源濾波器的
情況下,可集中濾除系統(tǒng)諧波,不僅能提高污水處理廠電網(wǎng)的用電質量,還可以大大減少諧波電流在輸配電線路上產(chǎn)生的電能損耗,節(jié)約運行成本,同時降低用電設備的發(fā)熱、減少絕緣老化、延長使用壽命,降低污水處理廠的維護成本。對于污水處理廠而言,有源濾波器的安裝成本較高,但考慮到處理廠的全生命周期,安裝有源濾波器還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。
5結語
本文通過某污水處理廠的電能質量現(xiàn)場實測結果和諧波問題的深入分析,證明了諧波問題是該污水處理廠本次事故的主要原因,并針對該問題提出了相應的就地治理和集中治理結合的方案。在該污水處理廠按提出的方案完成改造后,整個供配電系統(tǒng)運行正常,諧波參數(shù)達到國家規(guī)范要求,同時也提高了供配電設備的使用效率和系統(tǒng)的功率因數(shù),節(jié)能效果顯著。因該諧波治理方案取得的良好效果,本集團將其納入至內(nèi)部的電氣設計標準。此后,在集團現(xiàn)有污水處理廠提標改造和新建污水處理廠設計階段,以此為標準進行電氣設計,真正做到了從源頭杜絕電網(wǎng)的諧波污染,確保了污水處理廠的長期穩(wěn)定運行。
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