化工廠諧波治理案例
1．前言
隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染也日益嚴(yán)重。許多電力電子裝置的功率因數(shù)很低，也給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量?？梢娤C波污染并提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。解決電力電子裝置的諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題的基本思路有兩條：
（1）裝設(shè)KYLB濾波補(bǔ)償裝置，以濾除諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率；
（2）對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，且不消耗無(wú)功功率，或根據(jù)需要對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行控制。
某化工公司供電系統(tǒng)在高壓側(cè)主要由同步機(jī)調(diào)整功率因數(shù)，在35KVⅠ、Ⅱ段功率因數(shù)分別為0.98和0.91（同步機(jī)的分配限制），不能提高主變下面所帶配電變壓器的利用率、同時(shí)不能降低變壓器及線路上的損耗，當(dāng)前供電系統(tǒng)運(yùn)行狀況存在以下主要問(wèn)題：
（1）電機(jī)類負(fù)載功率因數(shù)低，使配電變壓器使用效率下降，整個(gè)系統(tǒng)效率下降，無(wú)功造成的有功損耗增加，配電線路額外發(fā)熱、線損增加；
（2）由電流諧波造成的電壓波形畸變，會(huì)影響企業(yè)內(nèi)各種用電設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量與可靠性，并導(dǎo)致配電變壓器鐵損和雜散損耗增加，電機(jī)類負(fù)載效率下降；
（3）高次諧波電流導(dǎo)致視在功率顯著增加，功率因數(shù)降低，配電變壓器負(fù)荷加重、損耗增加，并可能發(fā)生局部過(guò)熱問(wèn)題，配電線路額外發(fā)熱、線損增加。
2．供用電負(fù)荷與供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析
2.1供用電設(shè)備特性分析
生產(chǎn)線主要使用的是交流電機(jī)類負(fù)載、水泵及部分變頻負(fù)載，低壓側(cè)整體功率因數(shù)較低，變頻負(fù)載較多的地方諧波電流比較大。
2.2供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析
針對(duì)各配電變壓器的具體使用情況，選取具有代表性負(fù)載重點(diǎn)測(cè)試了幾個(gè)變壓器，從測(cè)試數(shù)據(jù)分析如下：
2.2。1供電電系統(tǒng)主要參數(shù)
配電變壓器規(guī)格：1600KVA，10／0.4KV
負(fù)載類型：電機(jī)類負(fù)載，其中包括380KW的變頻器兩臺(tái)
測(cè)試地點(diǎn)：6＃變壓器低壓出線
表1
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6＃變壓器出線 |
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|
電壓 |
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A相 |
B相 |
C相 |
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相電壓VRMS |
232.6 |
232.7 |
233.6 |
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|
平均線電壓VRMS |
403.5 |
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|
諧波含量THDF％ |
總量 |
2.2 |
2.1 |
2.2 |
|
|
3次 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
||
|
5次 |
1.4 |
1.4 |
1.4 |
||
|
7次 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
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|
11次 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
||
|
13次 |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
||
|
17次 |
0.4 |
0.4 |
0.4 |
||
|
19次 |
0.4 |
0.5 |
0.5 |
||
|
23次 |
0.6 |
0.5 |
0.5 |
||
|
25次 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
||
|
29次 |
0.5 |
0.4 |
0.4 |
||
|
31次 |
0.6 |
0.2 |
0.6 |
||
|
35次 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
||
|
電流 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
|
|
相電流ARMS |
1422 |
1456 |
1431 |
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諧波含量THDF％ |
總量 |
13.5 |
13.8 |
13.9 |
|
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3次 |
0.9 |
0.9 |
1.0 |
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|
5次 |
11.4 |
11.7 |
11.8 |
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|
7次 |
5.6 |
5.7 |
5.7 |
||
|
11次 |
1.8 |
1.7 |
1.8 |
||
|
13次 |
1.7 |
1.8 |
1.8 |
||
|
17次 |
1.1 |
1.0 |
1.1 |
||
|
19次 |
0.9 |
1.1 |
1.1 |
||
|
23次 |
0.8 |
0.8 |
0.8 |
||
|
25次 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
||
|
29次 |
0.7 |
0.6 |
0.6 |
||
|
31次 |
0.4 |
0.4 |
0.4 |
||
|
35次 |
0.2 |
0.3 |
0.2 |
||
|
諧波電流值ARMS |
190.2 |
199.0 |
197.0 |
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|
功率 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
|
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有功功率KW |
276.8 |
283.0 |
274.5 |
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|
視在功率KVA |
329.7 |
337.1 |
332.8 |
||
|
無(wú)功功率KVAR |
179.1 |
183.0 |
188.1 |
||
|
功率因數(shù) |
PF |
0.84 |
0.84 |
0.82 |
|
|
COSφ |
0.85 |
0.85 |
0.84 |
||
2.3數(shù)據(jù)分析
6＃變壓器：由于有一部分變頻器和沖擊性負(fù)載，電流對(duì)稱性不好，電流波形畸變嚴(yán)重，相對(duì)諧波含量13.9％左右，主要以5次、7次為主，諧波電流值為190A左右；運(yùn)行功率因數(shù)在0.87左右，主要是電流滯后電壓和電流諧波造成的，三相不平衡較小，電流整體波動(dòng)較大。
從實(shí)際測(cè)試情況可以看出，整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)低壓側(cè)功率因數(shù)低，同時(shí)由于6＃變壓器帶有380KW的變頻器負(fù)載，所以該變壓器電流諧波比較嚴(yán)重，導(dǎo)致變壓器自身和線路損耗較大，同時(shí)使電壓發(fā)生畸變，會(huì)對(duì)其他變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定的影響。
從高壓側(cè)用同步機(jī)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)我們這樣的高耗能企業(yè)來(lái)說(shuō)，這樣只能使高壓側(cè)的功率因數(shù)得到一定的提高，不能對(duì)企業(yè)帶來(lái)節(jié)能和**方面的好處，若從負(fù)載側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償，能夠從根本上提高功率因數(shù)，使變壓器的利用率提高，增加變壓器的帶載能力，同時(shí)能夠減少諧波和無(wú)功在線路和變壓器上的損耗。
3．采用的濾波補(bǔ)償方案與設(shè)備：
根據(jù)以上分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，上海坤友電氣有限公司采用KYLB濾波補(bǔ)償裝置，對(duì)供電系統(tǒng)低壓側(cè)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理。
該設(shè)備由系統(tǒng)控制器、驅(qū)動(dòng)模塊，電容器專用交流接觸器構(gòu)成的投切執(zhí)行器和調(diào)諧電容器組四大部分構(gòu)成。系統(tǒng)控制器通過(guò)電壓、電流傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)電壓和電流的瞬時(shí)值，并實(shí)時(shí)計(jì)算出電壓與電流有效值、諧波含量和系統(tǒng)所需無(wú)功功率等控制參量，按預(yù)設(shè)控制策略完成邏輯判斷，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制投切執(zhí)行器投切調(diào)諧電容器組，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償和諧波濾除。
表2KYBL自動(dòng)跟蹤消諧無(wú)功補(bǔ)償柜主要技術(shù)指標(biāo)
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項(xiàng)目 |
指標(biāo) |
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額定工作電壓 |
三相400V＋10％－15％ |
|
額定工作頻率 |
50HZ±2％ |
|
標(biāo)稱基波補(bǔ)償容量 |
480KVAR |
|
實(shí)際基波補(bǔ)償容量 |
340KVAR |
|
額定諧波補(bǔ)償容量 |
240KVAR |
|
諧波濾除比例 |
≥55（100％投入） |
|
目標(biāo)功率因數(shù) |
0.9～0.99（可設(shè)定） |
|
響應(yīng)時(shí)間 |
0.1－30S可編程 |
|
有功損耗 |
《1％補(bǔ)償容量 |
|
音頻噪聲 |
≤55DB |
|
保護(hù)功能 |
電壓異常保護(hù)；電流異常保護(hù)；系統(tǒng)故障保護(hù)；系統(tǒng)過(guò)熱保護(hù) |
|
外形尺寸 |
1000×1000×2200MM（標(biāo)準(zhǔn)MNS柜） |
|
儲(chǔ)存溫度 |
－40～55℃ |
|
工作環(huán)境溫度 |
－10～40℃ |
|
相對(duì)濕度 |
≤85％，不結(jié)露 |
|
海拔高度 |
≤2000M |
|
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) |
GB／T15576－1995，GB／T12747－2004 |
3.1．2針對(duì)化工廠負(fù)荷的具體情況，同時(shí)考慮到目前生產(chǎn)的實(shí)際情況，按照正常工作情況的功率在現(xiàn)在實(shí)測(cè)情況下乘以1.1倍的系數(shù)，對(duì)測(cè)試的變壓器進(jìn)行試點(diǎn)治理，配置自動(dòng)跟蹤KYLB濾波補(bǔ)償裝置如下。
表3配置自動(dòng)跟蹤無(wú)功濾波補(bǔ)償柜
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設(shè)備型號(hào) |
數(shù)量（臺(tái)） |
安裝位置 |
|
KYLB－0.4 |
1 |
6＃變壓器出線端 |
4．預(yù)期濾波補(bǔ)償目標(biāo)
4.1根據(jù)負(fù)荷特征，預(yù)期補(bǔ)償效果
（1）配電變壓器0.4KV總出線綜合功率因數(shù)COS?：≥0.95
（2）0.4KV母排電流諧波含量THDI：電流諧波濾除率：≥70％
4.2諧波治理與無(wú)功補(bǔ)償效益分析
（1）節(jié)省企業(yè)電費(fèi)開支。
（2）提高設(shè)備的利用率。通過(guò)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償后，由于電流的下降，功率因數(shù)的提高，從而增加了變壓器的容量。
①降低變壓器的鐵損、銅損和雜散損耗，降低系統(tǒng)的能耗。
②通過(guò)諧波治理，提高電網(wǎng)質(zhì)量，減少高次諧波對(duì)電氣設(shè)備的沖擊，凈化電網(wǎng)，減少變電所的噪聲污染。
③降低電動(dòng)機(jī)的鐵損和震動(dòng)，延長(zhǎng)電氣設(shè)備的使用壽命。
④降低電氣設(shè)備誤動(dòng)和拒動(dòng)的可能性，提高電氣設(shè)備的可靠性。
5．投運(yùn)后運(yùn)行效果
表4投入濾波設(shè)備后，在6＃變壓器10KV進(jìn)線測(cè)量濾波補(bǔ)償效果
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測(cè)量點(diǎn) |
電壓（KV） |
電流（A） |
有功功率（KW） |
無(wú)功功率（KVAR） |
功率因數(shù) |
||||
|
小 |
平均 |
大 |
小 |
平均 |
大 |
||||
|
總進(jìn)線 |
10.73 |
49.82 |
466 |
730 |
929 |
105 |
116 |
198 |
0.96 |
表5總進(jìn)線的諧波電壓測(cè)量結(jié)果
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基波電壓 |
A相畸變率 |
B相畸變率 |
C相畸變率 |
|
10.71KV |
3.4％ |
3.6％ |
3.5％ |
表6總進(jìn)線的諧波電流測(cè)量結(jié)果（I1＝49.82A）
|
諧波次數(shù) |
2 |
3 |
|
5 |
7 |
9 |
11 |
13 |
17 |
9 |
|
諧波電流（A） |
0 |
3.2 |
0 |
6.4 |
3.4 |
0 |
2.3 |
1.7 |
0 |
0 |
|
諧波電流（A） |
－ |
4.5 |
－ |
20.8 |
11.1 |
－ |
5.7 |
3.9 |
－ |
－ |
從測(cè)量結(jié)果看，本套KYLB濾波補(bǔ)償裝置的濾波效果大于70％，滿足國(guó)標(biāo)和技術(shù)協(xié)議的規(guī)定。
6．結(jié)論
該變壓器安裝KYLB濾波補(bǔ)償裝置后，通過(guò)測(cè)量分析，有如下結(jié)論：
（1）濾波效果滿足國(guó)標(biāo)GB／T14549－93的有關(guān)規(guī)定。
（2）提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，使功率因數(shù)從0.85提高到0.95以上，節(jié)能效果顯著。
（3）該套裝置運(yùn)行穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。
