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某化工厂10KV整流装置谐波分析及治理方案

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摘要：谐波主要是由称为谐波源的大功率换流设备（包括化工电解整流设备）及其它非线性负荷产生，谐波源产生的谐波不但危及电网及其它电力用户而且也危及自身，因此谐波的治理是十分必要且有实际经济效益的。本文以某化工厂为实例对谐波的产生及治理方案进行了分析研究。
关键词： 谐波造成的危害系统接线

1　谐波造成的危害
　　谐波主要是由称为谐波源的大功率换流设备（包括化工电解整流设备）及其它非线性负荷产生，谐波源产生的谐波不但危及电网及其它电力用户而且也危及自身，因此谐波的治理是十分必要且有实际经济效益的。本文以某化工厂为实例对谐波的产生及治理方案进行了分析研究。
　　该化工厂由郝村站供电，站内装设三组共10.8Mvar并联电容器，分别串联有4.5％，7％和12％电抗率的电抗器，分别用于限制五次及以上、四次及以上、三次及以上高次谐波放大并分别对五次谐波、四次谐波、三次谐波形成不完全滤波。
　　投运后电容器出现严重过负荷，噪音异常，个别电容器投运不久就发生鼓肚现象，后测试发现母线谐波电压和电容器回路谐波电流严重超标，为防止设备进一步损坏，将10.8Mvar电容器全部退出运行。通过对赫村站进一步测试结果表明，谐波主要是来自某化工厂，不仅谐波含量高而且谐波频谱范围宽（最低为二次）。
　　经过专业人员对化工厂配电系统的接线，设备配置，运行情况进行多次调查和测试，基本摸清情况，并对产生2次及以上高次谐波的原因进行了分析，制订了治理方案。
2　原因分析
2.1　整流变压器接线
　　四台整流变压器接线，一次绕组接线为三角形，二次侧为双反星形接线，等效为六相接线，其产生的特征谐波为：n＝kp±1　　k＝1，2……（1）理论计算对于p＝6相其谐波为5，7……。
　　实际上在电解工业中，广泛应用两台六脉波桥式接线整流机组并联组合形成等效十二脉波电路，对于二次为双反星形接线的桥式整流回路，形成等效十二脉波，只需将其一次侧绕组一台接成星形另一台接成三角形（见图1b），使两台整流变压器低压侧形成30°相角差，对于等效十二脉波整流电路应用（1）式计算，理论上只存在11、13等高次谐波，即可将含量较高的5、7次谐波消除，而又无需附加任何投资，这是一种非常好的方法，显然四台变压器一次全部采用三角形接线，二次双反星接线属于设计选型配置不当。
　　两种接线方式接线如图1所示。

2.2　控制角
　　分析四组整流装置变压器高压侧谐波电流，不但含有奇次谐波而且含有偶次谐波，尤其以39＃变更为严重，其产生的原因之一是可控硅整流装置触发角不同及器件特性有差异而产生异常谐波（即非特征谐波）。
2.3　电容器装置的影响
　　在38＃、39＃整流装置的高压侧母线上分别接有未串联电抗器的并联电容器组，高压并联电容器对整流装置的换相角和谐波电流发生量以及电网侧电压畸变程度都有影响。从测试结果对比分析不难看出，电容器的投入与否，对谐波电流的影响非常明显。
3　治理措施
　　由于某化工厂谐波负荷的特殊性——既有特征谐波，又有非特征谐波，并且含量较高，涉及到设备本身存在的问题，已不能采用单一的装设滤波装置，还需要改变变压器接线，治理整流装置——即需要采取综合治理方案，才能有较好的滤波效果，并且改变变压器接线，治理整流装置不但属于治本而且与装设滤波装置相比可以以较少的投入取得较好的效果。通过综合治理使注入系统的谐波电流和母线谐波电压都在国家标准允许范围以内，使电力系统能够安全可靠地优质供电。
3.1　治理整流设备
3.1.1　改变整流变压器接线，将其中两台变压器高压侧接线由三角形改为星形，使一台一次星接的整流变与一台一次为三角形接线的整流变并列运行，使其等效为十二脉波整流，使谐波电流含量较高的5、7次谐波被基本消除，当然需要增加平衡电抗器，见图1。

将变压器一次绕组由三角形改为星形接线，需要将高压绕组匝数减少42.3％，存在的问题是变压器绕组容量下降为额定容量的57.7％，实际上改后的容量可达到额定容量的60％～70％，需要核算改后变压器容量是否能够满足负荷要求，如容量不存在问题，改变变压器一次绕组接线不失为一种较好的方案。

3.1.2　产生非特征高次谐波的主要原因是整流装置本身，因为一般情况下，电源电压为三相对称系统，供电回路为三相对称回路，产生非特征高次谐波主要是由于整流装置可控硅的触发角不同或器件特性存在差异，通过改进控制回路并调整不合格可控硅，使2、3、4、6次等非特征高次谐波基本被消除（将模拟控制器改为计算机控制器）。

3.1.3　取消高压侧普通并联电容器，因为其对整流装置的导通情况产生影响并对高次谐波电流产生放大作用，其危害太大，需要拆除以消除其影响。
3.2　装设滤波装置
　　滤波装置的装设需要根据整流装置产生的高次谐波次数及高次谐波电流值和无功功率平衡等条件确定。
　　前已述及非特性高次谐波的产生主要是由于整流装置的触发角不同及器件特性有差异引起，治理整流装置消除其差异取得的效果对滤波装置的设置有影响，若基本能消除2、3、4次及以上偶次谐波则滤波装置只需滤除5次及以上的奇次谐波。若2、3、4次及以上偶次谐波仍超过国家标准，则滤波装置需滤除二次及以上高次谐波，高次谐波次数越低对相应的滤波设备要求也愈高，显然这种情况我们不希望出现，因为它将使滤波装置复杂，投资高、损耗大，运行费用也提高。
　　我们认为，经过治理整流设备应该能消除或基本消除偶次谐波及三次谐波，使其注入系统的谐波电流含量在标准允许范围之内，万一达不到这种效果再考虑装设相应的滤波装置。滤波方案按以下条件确定：
　　（1）每套滤波装置装设5、7、11次单通滤波器，单通滤波器选择R－L－C串联的B型滤波器，装设一套13次及以上的高通滤波器，其选择H型滤波器。
　　（2）按改进化工厂一次接线方案即两套整流装置设置一套滤波装置，在化工厂共装置两套滤波装置。
　　（3）暂按不改变变压器一次绕组配置滤波装置，如果改接线实施时再取消5、7次单通滤波器。按目前实测的谐波电流含量设计滤波装置，待治理整流设备后实测谐波电流再调整滤波器参数。

3.3　滤波器设计
3.3.1　设计条件
　　为使滤波器设计合理，既满足滤波要求又尽可能节约投资和降低损耗，需要掌握以下三个条件：
  （1）系统阻抗（高频阻抗）及其变化范围
　　需要了解系统在各种运行方式下的阻抗频率变化曲线，或者最不利条件时即最小运行方式下的阻抗频率曲线。工程上对于10kV系统可以等效为感性阻抗，并认为系统高频阻抗始终是感性，本工程中，在最小运行方式下的基波阻抗值为Xx＝0.5（Sj＝100MVA）。
　　n次谐波下的系统谐波阻抗为　Xnx＝0.5n
  （2）谐波源产生的谐波量
　　根据以往多次实测结果综合确定，各套整流装置的谐波电流见表1。由于测量是随机的，具有分散性和不完全性，根据实际情况，在实测结果基础上再考虑一定的余量作为设计参数。
  （3）谐波限制标准
　　对谐波的限制以我国现行有关标准为目标值。本工程设计标准略高于国家标准（主要是考虑负荷有可能要发展及留有适当的余度）。

3.3.2 滤波方案确定
　　交流滤波器可以在滤除谐波的同时,提供无功补偿,即滤波器具有滤波和补偿双重作用,确定滤波器容量时根据无功补偿需要确定一定电容量,根据测量结果化工厂目前生产共需要10Mvar无功,计及其安装的并联电容器后共需要13Mvar无功,考虑到本厂目前实际生产能力达不到设计能力,因此每台滤波装置补偿按6Mvar设计,共需要12Mvar。滤波器的总补偿容量确定后，根据支路谐波电压基本相等原则，确定低通滤波器各支路容量和高通滤波器容量。

设n次调谐滤波器挂在相电压为UP的接线上，因为是n次调谐，所以有：

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（谐波电流分析、滤波器计算等过程省略，欢迎索取。对于大多数用户而言，可以不必进行本文中描述的变压器、整流器部分的调整，而直接进行高压滤波器的设计、制作，根据我们的经验已经可以得到满意的补偿、滤波效果；而对于低压整流的用户，则建议直接进行低压滤波器的设计、制作，有好几种成熟方案可供选择。上海以华电气技术在这一专业渊源广泛、业绩出色，积累了丰富的治理案例，工业用户请提供你们的单线图、系统配置、工况描述，我们将为您提供完整的设计、完善的服务。）

  3.4　单调谐滤波器与电力系统的谐振
　　对于n次单调谐滤波器，其电感元件Ln与电容元件Cn满足n·ωLn＝1／（nωCn），而对于低于n次的m次谐波，n次单调谐滤波器回路呈容性，在一定条件下，单调谐滤波器与系统可能发生并联或串联谐振，谐振时发生的过电流和过电压将增大损耗，损坏设备，危害非常严重，因此，必须避免单调谐滤波器与系统发生谐振现象。
　　单调谐与系统发生并联谐振的等效电路见图2。经过分析可以得出结论，对于n次单调谐滤波器为防止发生m次谐波谐振只要使

　　式中：LS—系统等值电感；
     　　Ln—n次滤波器等值电感；
     　　Cn—n次滤波器等值电容
　　实际工作中，为防止发生并联谐振，一般采取的措施是使nωLn略大于1／（nωCn）使回路对于n次谐波略呈感性，当然这种措施是以降低滤波效果为代价，因此需要兼顾防止谐波放大和滤波效果，使其都在目标值范围内。
　　同样，对于n次单调谐滤波器还有与系统发生m次谐波串联谐振的可能性，对于本项目而言基本不存在这种可能性，不再作讨论。

4　效益分析
　　经过谐波治理，预计达到的效益为：
　（1）谐波电压和谐波电流等项电能指标均符合国家标准，从而保证电网安全、可靠、经济运行。
　（2）电力设备损耗下降，噪音降低，减小绝缘老化程度，延长设备使用寿命。
　（3）郝村站10.8Mvar电容器能够正常投入使用，每年运行7000h，无功经济当量按0.1，每kW·h按0.2元计算，每年可产生效益10800×7000×0.1×0.2＝151.2万元。
　（4）化工厂按12Mvar滤波装置每年产生效益：12000×7000×0.1×0.2＝168万元
　（5）改造后使整流效率从0.92提高到0.98，按年耗电1×108kW·h计，可节约电能6×106kW·h合120万元。谐波治理后，每年经济效益可达到440多万元，是十分可观和有益的。
5　投资计算
　（省略）
6　结论
　　经过工程技术人员较长时间的测试和理论分析对某化工厂的谐波情况和产生原因基本弄清，并提出相应的治理方案。
　　6.1　治理整流设备，消除非特征谐波。
　　6.2　改进变压器接线，使其等效为12脉波整流装置，消除含量较高的5、7次谐波电流。
　　6.3　装设滤波装置，使注入系统的谐波电流在国家标准允许范围之内，使郝村站及所供其它负荷的电气设备能够安全可靠运行。
　　通过上述综合治理，力争以较少的投资达到比较满意的滤波效果。使电能质量符合国家标准要求，取得较好的社会效益和综合经济效益。