低壓系統(tǒng)諧波治理實(shí)例

1、低壓系統(tǒng)諧波治理實(shí)例李曉鳳（金湖縣供電公司，江蘇 金湖 211600） 摘要：該文針對(duì)某電纜廠400V低壓無功補(bǔ)償柜的情況，通過對(duì)負(fù)荷分析、現(xiàn)場測(cè)量和理論推算，確定故障的諧波原因，然后采用了造價(jià)相對(duì)較低和易于實(shí)現(xiàn)的無源濾波器LC串聯(lián)濾波的方法，取得了一定的諧波治理效果。 關(guān)鍵詞：低壓；諧波；無源濾波器；LC串聯(lián)濾波中圖分類號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)： 1003-0867(2005)01-0006-02隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，大量的直流設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備及其它非線性負(fù)荷的廣泛應(yīng)用，愈來愈多的諧波電流被注入了電網(wǎng)。高次諧波的產(chǎn)生，增加了電能諧波損耗，降低了系統(tǒng)功率因數(shù)；對(duì)電力網(wǎng)有很大

2、的危害，它不僅影響電網(wǎng)的質(zhì)量，而且還對(duì)電網(wǎng)的可靠性有很大的影響，嚴(yán)重時(shí)造成繼電保護(hù)誤動(dòng)，燒毀微機(jī)保護(hù)線路板、數(shù)字電能表及其它微機(jī)裝置。本文主要就某電纜廠400V供電系統(tǒng)諧波治理實(shí)例，對(duì)LC交流濾波器合理的選擇進(jìn)行理論計(jì)算和討論。 1 故障現(xiàn)象 該電纜廠400V供電系統(tǒng)由兩臺(tái)歐式箱式變電站組成，每臺(tái)箱變的接線方案一致，但每臺(tái)箱變出線所帶負(fù)荷不一樣。 兩臺(tái)歐式箱式變電站投運(yùn)不久，1號(hào)箱變就發(fā)生了無功補(bǔ)償柜中元器件損壞的情況。損壞的元器件主要是電容接觸器和熔斷器，燒毀最嚴(yán)重的是電容接觸器。當(dāng)時(shí)分析認(rèn)為一種可能是電容接觸器的樁頭接線松動(dòng)，接觸電阻增加，樁頭接線發(fā)熱起火燒壞電容接觸器，進(jìn)而引起接觸器上側(cè)

3、的熔斷器燒毀；另一種可能性是熔斷器對(duì)電容器投切瞬間產(chǎn)生的涌流未起到保護(hù)作用，致使接觸器燒毀，產(chǎn)生的火苗接著損壞了熔斷器。隨后對(duì)燒壞的元器件進(jìn)行了更換，對(duì)所有的接線樁頭進(jìn)行了檢查，無功補(bǔ)償柜整改后繼續(xù)投入運(yùn)行。 整改后的無功補(bǔ)償柜使用不到一個(gè)月，再次出現(xiàn)了元器件損壞的情況。元器件損壞的位置、現(xiàn)象基本上和上次的情況一樣。這是樁頭接線松動(dòng)無法解釋的。 2 原因分析 兩次無功補(bǔ)償柜的故障全部發(fā)生在1號(hào)箱變，而2號(hào)箱變安然無恙。對(duì)比分析1、2號(hào)箱式變電站的負(fù)荷可以發(fā)現(xiàn)，2號(hào)箱變的負(fù)載基本上為異步電動(dòng)機(jī)和辦公照明負(fù)載；而1號(hào)箱變所帶負(fù)載中除了異步電動(dòng)機(jī)還有三臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，其功率分別為185kW、55kW、

4、30kW。此外，還有大量通過可控硅控溫的加熱設(shè)備。 在兩次無功補(bǔ)償柜發(fā)生故障時(shí)，該廠的交聯(lián)電纜生產(chǎn)線都在運(yùn)轉(zhuǎn)，也就是直流電機(jī)和相當(dāng)一部分的加熱設(shè)備都掛在1號(hào)箱變的低壓母線上。該廠的加熱回路采用了三相半控橋式整流電路，同時(shí)用交流電源對(duì)直流電機(jī)供電少不了要用整流裝置。由于整流裝置輸出波形的非正弦性，不同相數(shù)的整流電路會(huì)產(chǎn)生不同特征的諧波電流。如三相橋式的6相脈動(dòng)整流電路產(chǎn)生的諧波電流主要為6k±1次(5、7、11、13次，等等)見表1。 表1 6相脈動(dòng)整流裝置電流諧波理論數(shù)據(jù)諧波次數(shù)n1 5 7 11 1317 19 2325諧波電流/%10020 14.39.1 7.75.95.3 4

5、.3 4.0因此，交聯(lián)電纜生產(chǎn)線在生產(chǎn)時(shí)可能對(duì)1號(hào)箱變400V系統(tǒng)產(chǎn)生了諧波。 根據(jù)對(duì)負(fù)荷性質(zhì)分析和理論公式的推算，可以確定1號(hào)箱變400V系統(tǒng)中存在6k±1次為主的諧波電流。為了證實(shí)和明確1號(hào)箱變400V系統(tǒng)的諧波情況和參數(shù)，對(duì)1號(hào)、2號(hào)箱變進(jìn)行了多次的對(duì)比測(cè)量。2號(hào)箱變總線電流波形和頻譜圖分析見圖1，1 號(hào)箱變總線電流波形和頻譜圖分析見圖2。 對(duì)比分析圖1和圖2，2號(hào)箱變總線電流波形為規(guī)則正弦波，頻譜圖分析也表明其電流基本只含基波50Hz電流；1號(hào)箱變總線電流波形為非正弦波，頻譜圖分析可以看出含有3、5、7、11次等諧波。電流總畸變率THDi為52.32%，功率因數(shù)0.8，系統(tǒng)阻

6、抗R = 0.1W L = 0.1mH，系統(tǒng)短路容量10MVA。 1號(hào)箱變的無功補(bǔ)償柜之所以數(shù)次出現(xiàn)電容接觸器和熔斷器損壞的情況，其原因就是交聯(lián)電纜生產(chǎn)線產(chǎn)生的諧波電流被無功補(bǔ)償柜的電容器放大產(chǎn)生了過電流，致使接觸器和熔斷器過熱損壞。 3 諧波治理 諧波電流不僅影響無功補(bǔ)償柜的正常使用，致使無功功率電費(fèi)支出增加，而且對(duì)同一箱變內(nèi)的其它設(shè)備如電動(dòng)機(jī)也產(chǎn)生了危害。根據(jù)GB/T 14549電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波的要求，必須對(duì)各種非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流加以限制。 在電力系統(tǒng)抑制和治理諧波的主要措施有：加大系統(tǒng)短路容量；提高供電電壓等級(jí)；增加變流裝置的脈動(dòng)數(shù)；改善系統(tǒng)的運(yùn)行方式，設(shè)置交流濾

7、波器等都能減小系統(tǒng)中的諧波成分。對(duì)于該電纜廠，由于供電系統(tǒng)的方案已定型，唯一可行和有效的方法是設(shè)置交流濾波器進(jìn)行諧波治理，同時(shí)濾波器還能向系統(tǒng)提供所需的部分或全部無功。 交流濾波器又分為無源濾波器和有源濾波器兩種。有源濾波器是一種向系統(tǒng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的能動(dòng)式濾波裝置。它能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，運(yùn)行損耗較大，設(shè)備造價(jià)高；在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，也會(huì)注入新的諧波。無源濾波器(又稱LC濾波器)是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網(wǎng)。LC濾波器結(jié)構(gòu)簡單，

8、吸收諧波效果明顯；但僅對(duì)固有頻率的諧波有較好的補(bǔ)償效果；且補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響很大，在特定頻率下，電網(wǎng)阻抗和LC濾波器之間可能會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振或者串聯(lián)諧振。 4 系統(tǒng)構(gòu)成LC濾波器根據(jù)其電容器與電抗器的聯(lián)接方式不同，主要常用的有單調(diào)諧濾波器和高通濾波器。它們的結(jié)構(gòu)和阻抗特性如圖3、4所示。 該電纜廠的交聯(lián)電纜生產(chǎn)線為以銷定產(chǎn)的生產(chǎn)方式，即有確定的訂單才進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)已有的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，由于生產(chǎn)的電纜為35kV以上電壓等級(jí)，每月開工兩次左右，每次25天。從數(shù)次現(xiàn)場測(cè)量的結(jié)果分析，交聯(lián)電纜生產(chǎn)線產(chǎn)生的諧波的次數(shù)固定，且每次諧波電流的畸變率(THDi)上下波動(dòng)不大。 根據(jù)上述測(cè)量和分析的情況，決定對(duì)該

9、電纜廠的諧波治理采用與母線并聯(lián)的固定串聯(lián)LC調(diào)諧濾波器，即當(dāng)交聯(lián)電纜生產(chǎn)線啟動(dòng)時(shí)，LC濾波器投入，當(dāng)交聯(lián)電纜生產(chǎn)線停工時(shí)，LC濾波器退出；濾波器的電容器容量用來補(bǔ)償交聯(lián)電纜生產(chǎn)線諧波源所需的無功功率，原無功補(bǔ)償柜的電容器由300mF降至180mF以滿足其它設(shè)備的無功補(bǔ)償要求，同時(shí)控制器更換為帶諧波閉鎖功能的補(bǔ)償控制器，以便諧波畸變率超限時(shí)切除電容器。對(duì)于3、5、7次諧波采用單調(diào)諧濾波器，對(duì)于9、11次以上的諧波采用以11次為主的高通濾波器。串聯(lián)調(diào)諧濾波器是用來濾除某一諧波的電容器，通過增加一個(gè)在調(diào)諧頻率fn處XL = XC的電抗器來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于調(diào)諧n次諧波的串聯(lián)調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)步驟為： (1)確

10、定電容器容量QC，電容器無功功率要與諧波源無功功率及系統(tǒng)已有無功補(bǔ)償設(shè)備的無功功率進(jìn)行平衡，無功補(bǔ)償設(shè)備和濾波器總的無功功率略低于負(fù)載總無功功率。(2)電容器的電抗為XC = kU2/QC。5 治理效果 計(jì)算結(jié)果選擇元件構(gòu)成的電纜廠諧波治理方案對(duì)1號(hào)箱變的諧波進(jìn)行了治理。在隨后的現(xiàn)場測(cè)量表明，1號(hào)箱變總電流的波形基本接近正弦波，電壓畸變率THDu為2.8%,電流畸變率THDi為6.6%，功率因數(shù)保持在0.95左右。 在電纜廠的諧波治理方案中選用了造價(jià)相對(duì)較低和宜于實(shí)現(xiàn)的無源濾波器LC串聯(lián)濾波的方法，對(duì)以直流電機(jī)和三相橋式的6相脈動(dòng)整流裝置產(chǎn)生的諧波電流取得了很好的抑制效果，特別是消除了諧波含量較高的5、7次諧波電流。 參考文獻(xiàn)： 1呂潤馀.電力系統(tǒng)高次諧波M.北京:中國電力出版社,1998.