某化工廠10KV整流裝置諧波分析及治理方案

摘要：諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設(shè)備（包括化工電解整流設(shè)備）及其它非線性負(fù)荷產(chǎn)生，諧波源產(chǎn)生的諧波不但危及電網(wǎng)及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益的。本文以某化工廠為實(shí)例對(duì)諧波的產(chǎn)生及治理方案進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞： 諧波造成的危害 系統(tǒng)接線

1　諧波造成的危害

諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設(shè)備（包括化工電解整流設(shè)備）及其它非線性負(fù)荷產(chǎn)生，諧波源產(chǎn)生的諧波不但危及電網(wǎng)及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益的。本文以某化工廠為實(shí)例對(duì)諧波的產(chǎn)生及治理方案進(jìn)行了分析研究。

該化工廠由郝村站供電，站內(nèi)裝設(shè)三組共10．8Mvar并聯(lián)電容器，分別串聯(lián)有4．5％，7％和12％電抗率的電抗器，分別用于限制五次及以上、四次及以上、三次及以上高次諧波放大并分別對(duì)五次諧波、四次諧波、三次諧波形成不完全濾波。

投運(yùn)后電容器出現(xiàn)嚴(yán)重過(guò)負(fù)荷，噪音異常，個(gè)別電容器投運(yùn)不久就發(fā)生鼓肚現(xiàn)象，后測(cè)試發(fā)現(xiàn)母線諧波電壓和電容器回路諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，為防止設(shè)備進(jìn)一步損壞，將10．8Mvar電容器全部退出運(yùn)行。通過(guò)對(duì)赫村站進(jìn)一步測(cè)試結(jié)果表明，諧波主要是來(lái)自某化工廠，不僅諧波含量高而且諧波頻譜范圍寬（最低為二次）。

經(jīng)過(guò)專業(yè)人員對(duì)化工廠配電系統(tǒng)的接線，設(shè)備配置，運(yùn)行情況進(jìn)行多次調(diào)查和測(cè)試，基本摸清情況，并對(duì)產(chǎn)生2次及以上高次諧波的原因進(jìn)行了分析，制訂了治理方案。

2　原因分析

2．1　整流變壓器接線

四臺(tái)整流變壓器接線，一次繞組接線為三角形，二次側(cè)為雙反星形接線，等效為六相接線，其產(chǎn)生的特征諧波為：n＝kp±1　　k＝1，2……（1）理論計(jì)算對(duì)于p＝6相其諧波為5，7……。

實(shí)際上在電解工業(yè)中，廣泛應(yīng)用兩臺(tái)六脈波橋式接線整流機(jī)組并聯(lián)組合形成等效十二脈波電路，對(duì)于二次為雙反星形接線的橋式整流回路，形成等效十二脈波，只需將其一次側(cè)繞組一臺(tái)接成星形另一臺(tái)接成三角形（見(jiàn)圖1b），使兩臺(tái)整流變壓器低壓側(cè)形成30°相角差，對(duì)于等效十二脈波整流電路應(yīng)用（1）式計(jì)算，理論上只存在11、13等高次諧波，即可將含量較高的5、7次諧波消除，而又無(wú)需附加任何投資，這是一種非常好的方法，顯然四臺(tái)變壓器一次全部采用三角形接線，二次雙反星接線屬于設(shè)計(jì)選型配置不當(dāng)。

兩種接線方式接線如圖1所示。

2．2　控制角

分析四組整流裝置變壓器高壓側(cè)諧波電流，不但含有奇次諧波而且含有偶次諧波，尤其以39＃變更為嚴(yán)重，其產(chǎn)生的原因之一是可控硅整流裝置觸發(fā)角不同及器件特性有差異而產(chǎn)生異常諧波（即非特征諧波）。

2．3　電容器裝置的影響

在38＃、39＃整流裝置的高壓側(cè)母線上分別接有未串聯(lián)電抗器的并聯(lián)電容器組，高壓并聯(lián)電容器對(duì)整流裝置的換相角和諧波電流發(fā)生量以及電網(wǎng)側(cè)電壓畸變程度都有影響。從測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析不難看出，電容器的投入與否，對(duì)諧波電流的影響非常明顯。

3　治理措施

由于某化工廠諧波負(fù)荷的特殊性——既有特征諧波，又有非特征諧波，并且含量較高，涉及到設(shè)備本身存在的問(wèn)題，已不能采用單一的裝設(shè)濾波裝置，還需要改變變壓器接線，治理整流裝置——即需要采取綜合治理方案，才能有較好的濾波效果，并且改變變壓器接線，治理整流裝置不但屬于治本而且與裝設(shè)濾波裝置相比可以以較少的投入取得較好的效果。通過(guò)綜合治理使注入系統(tǒng)的諧波電流和母線諧波電壓都在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍以內(nèi)，使電力系統(tǒng)能夠安全可靠地優(yōu)質(zhì)供電。

3．1　治理整流設(shè)備

3．1．1　改變整流變壓器接線，將其中兩臺(tái)變壓器高壓側(cè)接線由三角形改為星形，使一臺(tái)一次星接的整流變與一臺(tái)一次為三角形接線的整流變并列運(yùn)行，使其等效為十二脈波整流，使諧波電流含量較高的5、7次諧波被基本消除，當(dāng)然需要增加平衡電抗器，見(jiàn)圖1。

將變壓器一次繞組由三角形改為星形接線，需要將高壓繞組匝數(shù)減少42．3％，存在的問(wèn)題是變壓器繞組容量下降為額定容量的57．7％，實(shí)際上改后的容量可達(dá)到額定容量的60％～70％，需要核算改后變壓器容量是否能夠滿足負(fù)荷要求，如容量不存在問(wèn)題，改變變壓器一次繞組接線不失為一種較好的方案。

3．1．2　產(chǎn)生非特征高次諧波的主要原因是整流裝置本身，因?yàn)橐话闱闆r下，電源電壓為三相對(duì)稱系統(tǒng)，供電回路為三相對(duì)稱回路，產(chǎn)生非特征高次諧波主要是由于整流裝置可控硅的觸發(fā)角不同或器件特性存在差異，通過(guò)改進(jìn)控制回路并調(diào)整不合格可控硅，使2、3、4、6次等非特征高次諧波基本被消除（將模擬控制器改為計(jì)算機(jī)控制器）。

3．1．3　取消高壓側(cè)普通并聯(lián)電容器，因?yàn)槠鋵?duì)整流裝置的導(dǎo)通情況產(chǎn)生影響并對(duì)高次諧波電流產(chǎn)生放大作用，其危害太大，需要拆除以消除其影響。

3．2　裝設(shè)濾波裝置

濾波裝置的裝設(shè)需要根據(jù)整流裝置產(chǎn)生的高次諧波次數(shù)及高次諧波電流值和無(wú)功功率平衡等條件確定。

前已述及非特性高次諧波的產(chǎn)生主要是由于整流裝置的觸發(fā)角不同及器件特性有差異引起，治理整流裝置消除其差異取得的效果對(duì)濾波裝置的設(shè)置有影響，若基本能消除2、3、4次及以上偶次諧波則濾波裝置只需濾除5次及以上的奇次諧波。若2、3、4次及以上偶次諧波仍超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，則濾波裝置需濾除二次及以上高次諧波，高次諧波次數(shù)越低對(duì)相應(yīng)的濾波設(shè)備要求也愈高，顯然這種情況我們不希望出現(xiàn)，因?yàn)樗鼘⑹篂V波裝置復(fù)雜，投資高、損耗大，運(yùn)行費(fèi)用也提高。

我們認(rèn)為，經(jīng)過(guò)治理整流設(shè)備應(yīng)該能消除或基本消除偶次諧波及三次諧波，使其注入系統(tǒng)的諧波電流含量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，萬(wàn)一達(dá)不到這種效果再考慮裝設(shè)相應(yīng)的濾波裝置。濾波方案按以下條件確定：

（1）每套濾波裝置裝設(shè)5、7、11次單通濾波器，單通濾波器選擇R－L－C串聯(lián)的B型濾波器，裝設(shè)一套13次及以上的高通濾波器，其選擇H型濾波器。

（2）按改進(jìn)化工廠一次接線方案即兩套整流裝置設(shè)置一套濾波裝置，在化工廠共裝置兩套濾波裝置。

（3）暫按不改變變壓器一次繞組配置濾波裝置，如果改接線實(shí)施時(shí)再取消5、7次單通濾波器。按目前實(shí)測(cè)的諧波電流含量設(shè)計(jì)濾波裝置，待治理整流設(shè)備后實(shí)測(cè)諧波電流再調(diào)整濾波器參數(shù)。

3．3　濾波器設(shè)計(jì)

3．3．1　設(shè)計(jì)條件

為使濾波器設(shè)計(jì)合理，既滿足濾波要求又盡可能節(jié)約投資和降低損耗，需要掌握以下三個(gè)條件：

（1）系統(tǒng)阻抗（高頻阻抗）及其變化范圍

需要了解系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下的阻抗頻率變化曲線，或者最不利條件時(shí)即最小運(yùn)行方式下的阻抗頻率曲線。工程上對(duì)于10kV系統(tǒng)可以等效為感性阻抗，并認(rèn)為系統(tǒng)高頻阻抗始終是感性，本工程中，在最小運(yùn)行方式下的基波阻抗值為Xx＝0．5（Sj＝100MVA）。

n次諧波下的系統(tǒng)諧波阻抗為 　Xnx＝0．5n

（2）諧波源產(chǎn)生的諧波量

根據(jù)以往多次實(shí)測(cè)結(jié)果綜合確定，各套整流裝置的諧波電流見(jiàn)表1。由于測(cè)量是隨機(jī)的，具有分散性和不完全性，根據(jù)實(shí)際情況，在實(shí)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上再考慮一定的余量作為設(shè)計(jì)參數(shù)。

（3）諧波限制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)諧波的限制以我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)值。本工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)略高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（主要是考慮負(fù)荷有可能要發(fā)展及留有適當(dāng)?shù)挠喽龋?/p>

3.3.2 濾波方案確定

交流濾波器可以在濾除諧波的同時(shí),提供無(wú)功補(bǔ)償,即濾波器具有濾波和補(bǔ)償雙重作用,確定濾波器容量時(shí)根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償需要確定一定電容量,根據(jù)測(cè)量結(jié)果化工廠目前生產(chǎn)共需要10Mvar無(wú)功,計(jì)及其安裝的并聯(lián)電容器后共需要13Mvar無(wú)功,考慮到本廠目前實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計(jì)能力,因此每臺(tái)濾波裝置補(bǔ)償按6Mvar設(shè)計(jì),共需要12Mvar。濾波器的總補(bǔ)償容量確定后，根據(jù)支路諧波電壓基本相等原則，確定低通濾波器各支路容量和高通濾波器容量。

設(shè)n次調(diào)諧濾波器掛在相電壓為UP的接線上，因?yàn)槭莕次調(diào)諧，所以有：

（諧波電流分析、濾波器計(jì)算等過(guò)程省略，歡迎索取。對(duì)于大多數(shù)用戶而言，可以不必進(jìn)行本文中描述的變壓器、整流器部分的調(diào)整，而直接進(jìn)行高壓濾波器的設(shè)計(jì)、制作，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)可以得到滿意的補(bǔ)償、濾波效果；而對(duì)于低壓整流的用戶，則建議直接進(jìn)行低壓濾波器的設(shè)計(jì)、制作，有好幾種成熟方案可供選擇。上海以華電氣技術(shù)在這一專業(yè)淵源廣泛、業(yè)績(jī)出色，積累了豐富的治理案例，工業(yè)用戶請(qǐng)?zhí)峁┠銈兊膯尉€圖、系統(tǒng)配置、工況描述，我們將為您提供完整的設(shè)計(jì)、完善的服務(wù)。）

3．4　單調(diào)諧濾波器與電力系統(tǒng)的諧振

對(duì)于n次單調(diào)諧濾波器，其電感元件Ln與電容元件Cn滿足n·ωLn＝1／（nωCn），而對(duì)于低于n次的m次諧波，n次單調(diào)諧濾波器回路呈容性，在一定條件下，單調(diào)諧濾波器與系統(tǒng)可能發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，諧振時(shí)發(fā)生的過(guò)電流和過(guò)電壓將增大損耗，損壞設(shè)備，危害非常嚴(yán)重，因此，必須避免單調(diào)諧濾波器與系統(tǒng)發(fā)生諧振現(xiàn)象。

單調(diào)諧與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振的等效電路見(jiàn)圖2。經(jīng)過(guò)分析可以得出結(jié)論，對(duì)于n次單調(diào)諧濾波器為防止發(fā)生m次諧波諧振只要使

式中：
LS—系統(tǒng)等值電感；
Ln—n次濾波器等值電感；
Cn—n次濾波器等值電容

實(shí)際工作中，為防止發(fā)生并聯(lián)諧振，一般采取的措施是使nωLn略大于1／（nωCn）使回路對(duì)于n次諧波略呈感性，當(dāng)然這種措施是以降低濾波效果為代價(jià)，因此需要兼顧防止諧波放大和濾波效果，使其都在目標(biāo)值范圍內(nèi)。

同樣，對(duì)于n次單調(diào)諧濾波器還有與系統(tǒng)發(fā)生m次諧波串聯(lián)諧振的可能性，對(duì)于本項(xiàng)目而言基本不存在這種可能性，不再作討論。

4　效益分析

經(jīng)過(guò)諧波治理，預(yù)計(jì)達(dá)到的效益為：

（1）諧波電壓和諧波電流等項(xiàng)電能指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，從而保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（2）電力設(shè)備損耗下降，噪音降低，減小絕緣老化程度，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

（3）郝村站10．8Mvar電容器能夠正常投入使用，每年運(yùn)行7000h，無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量按0．1，每kW·h按0．2元計(jì)算，每年可產(chǎn)生效益10800×7000×0．1×0．2＝151．2萬(wàn)元。

（4）化工廠按12Mvar濾波裝置每年產(chǎn)生效益：12000×7000×0．1×0．2＝168萬(wàn)元

（5）改造后使整流效率從0．92提高到0．98，按年耗電1×108kW·h計(jì)，可節(jié)約電能6×106kW·h合120萬(wàn)元。諧波治理后，每年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到440多萬(wàn)元，是十分可觀和有益的。

5　投資計(jì)算

（省略）

6　結(jié)論

經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試和理論分析對(duì)某化工廠的諧波情況和產(chǎn)生原因基本弄清，并提出相應(yīng)的治理方案。

6．1　治理整流設(shè)備，消除非特征諧波。

6．2　改進(jìn)變壓器接線，使其等效為12脈波整流裝置，消除含量較高的5、7次諧波電流。

6．3　裝設(shè)濾波裝置，使注入系統(tǒng)的諧波電流在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，使郝村站及所供其它負(fù)荷的電氣設(shè)備能夠安全可靠運(yùn)行。

通過(guò)上述綜合治理，力爭(zhēng)以較少的投資達(dá)到比較滿意的濾波效果。使電能質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，取得較好的社會(huì)效益和綜合經(jīng)濟(jì)效益。

上海以華電氣技術(shù)在這一專業(yè)淵源廣泛、業(yè)績(jī)出色，積累了豐富的治理案例，提供國(guó)產(chǎn)、進(jìn)口產(chǎn)品全套方案。請(qǐng)您提供工廠應(yīng)用的單線圖、具體電氣參數(shù)，我們將為您提供完整的設(shè)計(jì)、完善的服務(wù)。