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際經(jīng)濟(jì)效益的。本文以某化工廠為實例對諧波的產(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際經(jīng)濟(jì)效益的。本文以某化工廠為實例對諧波的產(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五次諧波、四次諧波、三次諧波形成不完全濾波。

投運后電容器出現(xiàn)嚴(yán)重過負(fù)荷，噪音異常，個別電容器投運不久就發(fā)生鼓肚現(xiàn)象，后測試發(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電容器全部退出運行。通過對赫村站進(jìn)一步測試結(jié)果表明，諧波主要是來自某化工廠，不僅諧波含量高而且諧波頻譜范圍寬（最低為二次）。

經(jīng)過專業(yè)人員對化工廠配電系統(tǒng)的接線，設(shè)備配置，運行情況進(jìn)行多次調(diào)查和測試，基本摸清情況，并對產(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）理論計算對于p＝6相其諧波為5，7……。

實際上在電解工業(yè)中，廣泛應(yīng)用兩臺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)繞組一臺接成星形另一臺接成三角形（見圖1b），使兩臺整流變壓器低壓側(cè)形成30°相角差，對于等效十二脈波整流電路應(yīng)用（1）式計算，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，而又無需附加任何投資，這是一種非常好的方法，顯然四臺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。從測試結(jié)果對比分析不難看出，電容器的投入與否，對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，將其中兩臺變壓器高壓側(cè)接線由三角形改為星形，使一臺一次星接的整流變與一臺一次為三角形接線的整流變并列運行，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％，存在的問題是變壓器繞組容量下降為額定容量的57．7％，實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，因為一般情況下，電源電壓為三相對稱系統(tǒng)，供電回路為三相對稱回路，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算機(jī)控制器）。

3．1．3　取消高壓側(cè)普通并聯(lián)電容器，因為其對整流裝置的導(dǎo)通情況產(chǎn)生影響并對高次諧波電流產(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國家標(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)，因為它將使濾波裝置復(fù)雜，投資高、損耗大，運行費用也提高。

我們認(rèn)為，經(jīng)過治理整流設(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，如果改接線實施時再取消5、7次單通濾波器。按目前實測的諧波電流含量設(shè)計濾波裝置，待治理整流設(shè)備后實測諧波電流再調(diào)整濾波器參數(shù)。

3．3　濾波器設(shè)計

3．3．1　設(shè)計條件

為使濾波器設(shè)計合理，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)在各種運行方式下的阻抗頻率變化曲線，或者最不利條件時即最小運行方式下的阻抗頻率曲線。工程上對于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)以往多次實測結(jié)果綜合確定，各套整流裝置的諧波電流見表1。由于測量是隨機(jī)的，具有分散性和不完全性，根據(jù)實際情況，在實測結(jié)果基礎(chǔ)上再考慮一定的余量作為設(shè)計參數(shù)。

（3）諧波限制標(biāo)準(zhǔn)

對諧波的限制以我國現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)值。本工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)略高于國家標(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,提供無功補(bǔ)償,即濾波器具有濾波和補(bǔ)償雙重作用,確定濾波器容量時根據(jù)無功補(bǔ)償需要確定一定電容量,根據(jù)測量結(jié)果化工廠目前生產(chǎn)共需要10Mvar無功,計及其安裝的并聯(lián)電容器后共需要13Mvar無功,考慮到本廠目前實際生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計能力,因此每臺濾波裝置補(bǔ)償按6Mvar設(shè)計,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，因為是n次調(diào)諧，所以有：

（諧波電流分析、濾波器計算等過程省略，歡迎索取。對于大多數(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、制作，根據(jù)我們的經(jīng)驗已經(jīng)可以得到滿意的補(bǔ)償、濾波效果；而對于低壓整流的用戶，則建議直接進(jìn)行低壓濾波器的設(shè)計、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)績出色，積累了豐富的治理案例，工業(yè)用戶請?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、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，諧振時發(fā)生的過電流和過電壓將增大損耗，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)諧振的等效電路見圖2。經(jīng)過分析可以得出結(jié)論，對于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，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，對于本項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)過諧波治理，預(yù)計達(dá)到的效益為：

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

（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，每年運行7000h，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量按0．1，每kW·h按0．2元計算，每年可產(chǎn)生效益10800×7000×0．1×0．2＝151．2萬元。

（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，可節(jié)約電能6×106kW·h合120萬元。諧波治理后，每年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到440多萬元，是十分可觀和有益的。

5　投資計算

（省略）

6　結(jié)論

經(jīng)過工程技術(shù)人員較長時間的測試和理論分析對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)備能夠安全可靠運行。

通過上述綜合治理，力爭以較少的投資達(dá)到比較滿意的濾波效果。使電能質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，取得較好的社會效益和綜合經(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)績出色，積累了豐富的治理案例，提供國產(chǎn)、進(jìn)口產(chǎn)品全套方案。請您提供工廠應(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、完善的服務(wù)。