電解鋁整流供電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償及高次諧波的抑制

郭宏芳,張傳斌,梁永平

（青海橋頭鋁電有限公司,青海西寧 810100）

電解鋁整流供電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償及高次諧波的抑制

郭宏芳,張傳斌,梁永平

（青海橋頭鋁電有限公司,青海西寧 810100）

節(jié)約能源,必須對電能質(zhì)量進(jìn)行提高,而提高電能質(zhì)量的有效措施即為提高功率因數(shù),加裝濾波補(bǔ)償裝置進(jìn)行有效的無功補(bǔ)償和消除諧波危害.

由于一些大的用電單位對電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成不同程度的影響,產(chǎn)生大量的各種諧波分量,直接影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量.一個大型的電解鋁企業(yè),其整流供電的功率因數(shù)一旦低于 0.9,則直接使設(shè)備的輸出功率降低,設(shè)備的絕緣發(fā)熱老化,效率降低,另外也給電網(wǎng)增加了負(fù)擔(dān),降低了電網(wǎng)的輸電能力,所以加裝濾波補(bǔ)償裝置是電解鋁整流供電刻不容緩的一項(xiàng)舉措.

1 濾波補(bǔ)償裝置濾波器的工作原理

濾波器是制定一個與所產(chǎn)生諧波的諧波源大小相等,相位相反的諧振電路,使各次諧波很容易的通過的回路,是對不同種類的設(shè)備所產(chǎn)生的諧波進(jìn)行濾除,對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)难b置.

由于電網(wǎng)供電電壓并非理想的正弦波,而整流供電二極管的單向?qū)щ娮饔?在正反向電壓作用下,其阻值迥然不同,因而整流裝置從交流電力系統(tǒng)取的電流也是非正弦波的,這種非正弦交流波形根據(jù)系統(tǒng)參數(shù),整流裝置相數(shù),接線和運(yùn)行條件的不同而發(fā)生很大畸變,將這些電流按傅立葉級數(shù)可分為基波及一系列不同頻率和振幅的諧波（一般為 12K ±1,其中 K為自然數(shù) 1、2、3……,對電網(wǎng)危害最大的為 27、29等高次諧波）,而產(chǎn)生的這些諧波危害極大,主要為:

（1）直接危害用電設(shè)備的絕緣,降低電氣設(shè)備的使用壽命;

（2）產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓波動,使三相不平蘅,容易使電容器擊穿;

（3）諧波可以使繼電保護(hù)發(fā)生誤動作,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失;

（4）諧波所產(chǎn)生的電壓閃變,對高精度電子設(shè)備產(chǎn)生極大的影響;

（5）諧波對人體也產(chǎn)生較大的危害.

2 高次諧波的抑制

將三相橋式電路的脈動數(shù)從 6提高到 12,可消除 5次、7次諧波.將多個諧波源接于同一段母線,利用諧波的相互補(bǔ)償作用也可降低電網(wǎng)諧波含量.

當(dāng)諧波量超出規(guī)程允許值或者電網(wǎng)在諧波范圍內(nèi)有諧振時,通常設(shè)置單調(diào)諧濾波器吸收特征諧波.對于 13次及以上的高次諧波,可設(shè)置一個高通濾波器.濾波回路也會吸收電網(wǎng)原有諧波并可能導(dǎo)致過負(fù)荷.一般通過調(diào)整失諧率,降低品質(zhì)因數(shù)或者通過附加電子裝置控制電流值來避免過負(fù)荷.電容器可通過串聯(lián)電抗器形成諧波阻塞回路,以防止電容器諧波過負(fù)荷,一般將串聯(lián)諧振頻率定在 250 Hz以下.

3 電感調(diào)節(jié)

濾波裝置的電感調(diào)節(jié)后不會改變,而在運(yùn)行當(dāng)中,電容值會發(fā)生變化,所以必須根據(jù)其諧振點(diǎn)去調(diào)試 （XL=KXc,其中 K為調(diào)諧系數(shù)取 1.03,不平衡度≤2%）所以在計算時,先測出電容實(shí)際值,根據(jù)公式 Xc=1/2ПfC得出 Xc值,可根據(jù) XL=KXc再依據(jù)公式 XL=2ПfL反推出 L值.

某供電整流所 1#～4#機(jī)組諧波調(diào)諧數(shù)據(jù)如表 1～表 4:

表 1 1#機(jī)組諧波調(diào)諧數(shù)據(jù)

表 2 2#機(jī)組諧波調(diào)諧數(shù)據(jù)

表 3 3#機(jī)組諧波調(diào)諧數(shù)據(jù)

表 4 4#機(jī)組諧波調(diào)諧數(shù)據(jù)

4 電網(wǎng)中含有諧波情況下的無功補(bǔ)償

4.1 對諧波源負(fù)載的補(bǔ)償

在 5次諧波頻率下電網(wǎng)具有諧振,并聯(lián)阻抗Xp大大升高,由諧波源發(fā)出的 5次諧波電流流入諧振回路后,會產(chǎn)生很高的諧波電壓,諧波電壓疊加在基波電壓上,導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變.在電網(wǎng)和電容器之間流動的平衡電流可達(dá)諧波源發(fā)出的電流的數(shù)倍,即諧波放大,此時變壓器和電容器承受大于正常情況的負(fù)荷,特別是電容器,長期運(yùn)行于過負(fù)荷狀態(tài),加速絕緣老化,甚至擊穿爆炸.可以根據(jù)電網(wǎng)阻抗和電容器容抗預(yù)先計算出并聯(lián)諧振頻率,調(diào)整電容器容量配置,使并聯(lián)諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離,避免諧波放大.但是實(shí)際的電網(wǎng)阻抗不為常數(shù),而時常處于不斷變化之中,很難完全避開諧振,特別當(dāng)電容器分組調(diào)節(jié)運(yùn)行時,情況更為復(fù)雜.

當(dāng)需要對接有諧波源設(shè)備的電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償時,必須采取技術(shù)措施,將并聯(lián)諧振點(diǎn)移到安全位置,而實(shí)踐證明最可靠的方法就是在電容器回路中串聯(lián)電抗器.

4.2 電容器回路串電抗

電容器串電抗后形成一個串聯(lián)諧振回路,在諧振頻率下呈現(xiàn)出很低的阻抗 （理論上為 0）.如果串聯(lián)諧振頻率與電網(wǎng)特征諧波頻率一致,則成為純?yōu)V波回路.如果只吸收少量諧波,則稱為失諧濾波回路.

失諧波回路的主要用途是防止諧波放大,濾波效果不大,回路串聯(lián)諧振頻率通常低于電網(wǎng)的最低次特征諧波頻率,即設(shè)定為基波頻率的 3.8～4.2倍.

工程計算公式為:

電抗器電抗 XL=電容器容抗 Xc的百分比 （X%）或者:電抗器功率 QL=電容器基波容量 QC的百分比（X%）

電抗器電抗或容量一般為電容器容抗或容量的 6%～7%.在選擇 X=6%時,諧振次數(shù)為 V=4.08.

失諧濾波回路只吸收少量 5次及以上的諧波,諧波源產(chǎn)生的諧波的大部分流入電網(wǎng),電容器容量根據(jù)預(yù)計達(dá)到的功率因數(shù)值確定.

純?yōu)V波回路的主要用途是吸收諧波,同時補(bǔ)償基波無功功率.

在串聯(lián)諧振狀態(tài)下,濾波回路的合成阻抗 Xs接近于 0,因此可對相關(guān)諧波形成“短路”.

在諧振頻率以下濾波回路呈容性,因此能夠輸出容性基波無功功率以補(bǔ)償感性無功功率.在諧振頻率以上濾波回路呈感性.

由于濾波回路在諧振點(diǎn)以下呈容性,所以在其特征頻率以下又與電網(wǎng)電感形成并聯(lián)諧振回路.如果在這個頻率范圍內(nèi)沒有特征諧波,則并聯(lián)諧振對電網(wǎng)不會產(chǎn)生危害.

當(dāng)電容器采用△形接線,則濾波回路的諧振頻率一般設(shè)定為特征諧波頻率的 96%～98%,以便平衡電網(wǎng)的頻率波動和環(huán)境溫度變化引起的電容量的改變,濾波回路除了輸出基波無功功率外,還要承受諧波負(fù)荷,多個不同諧振頻率的濾波器在兩個過 0點(diǎn)間會出現(xiàn)一個并聯(lián)諧振點(diǎn).

4.3 濾波回路的無功功率調(diào)節(jié)

由于濾波回路的主要任務(wù)是吸收電網(wǎng)諧波,所以限制了對基波無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)的靈活性,只能對各個回路進(jìn)行投切,投入的順序?yàn)閺牡痛蔚礁叽?切除的順序?yàn)閺母叽蔚降痛?對于容量較大的補(bǔ)償濾波裝置,可以采取純?yōu)V波回路和失諧濾波回路結(jié)合的方法,即純?yōu)V波回路固定運(yùn)行,補(bǔ)償基本負(fù)荷,失諧濾波回路作為調(diào)節(jié)運(yùn)行.

如果兩個同次濾波回路中的一個在特征諧波頻率下呈感性,另一個呈容性,則會產(chǎn)生并聯(lián)諧振,使諧波放大.

如果經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較需要采用并聯(lián)方式,可以將兩個支路均調(diào)為在特征諧波頻率下呈感性,即ωr<（v×ωl）,各支路電阻接近,可以較好解決電流分配問題,但是濾波效果要降低.

如果既要吸收諧波,又要保持調(diào)節(jié)的靈活性,可以采用并聯(lián)支路的方式,即若干個同次濾波回路同時接入電網(wǎng),各支路的電容同時并聯(lián),形成一個總的濾波回路,調(diào)節(jié)時可以投切其中的一個或多個并聯(lián)支路.這種方式不會出現(xiàn)支路間的并聯(lián)諧振,同時提高了濾波效果.除了對電容器分組調(diào)節(jié)以外,對于負(fù)載波動頻繁的場合,采用動態(tài)補(bǔ)償及濾波裝置是最佳的解決方案.

4.4 濾波回路的選擇

選擇濾波回路有以下兩個原則:

（1）主要用于吸收諧波,降低電網(wǎng)電壓畸變,基波無功補(bǔ)償居次要位置.

（2）提高電網(wǎng)功率因數(shù),同時吸收諧波,電容器容量按無功補(bǔ)償?shù)囊笈渲?

整流供電所所用的濾波補(bǔ)償裝置共計四套,每臺整流變安裝一套,掛接在整流調(diào)壓變壓器補(bǔ)償繞組側(cè),每套濾波裝置由三條濾波支路組成,分別為 5、7次和 11次單調(diào)諧濾波器,其中 5、11次濾波器安裝容量為10 800 kV·A,7次濾波器容量為7 200 kV·A.所用電容裝置型號為 TALA 20型,并采用雙星形不平衡電流保護(hù)方式,其電氣接線原理如圖 1所示:

圖 1 濾波補(bǔ)償裝置電氣接線原理圖

5 濾波補(bǔ)償裝置的保護(hù)

為使濾波補(bǔ)償裝置安全運(yùn)行,防止事故的擴(kuò)大,影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行,濾波補(bǔ)償裝置一般設(shè)置了多種保護(hù)措施,其保護(hù)方式如下:

（1）母線過電壓、欠電壓保護(hù)、濾波支路過流、速斷與中性點(diǎn)不平衡電流保護(hù)——跳閘;

（2）單臺電容器內(nèi)熔絲保護(hù);

（3）氧化性避雷器保護(hù)——各濾波支路進(jìn)線和中性點(diǎn)對地設(shè)氧化性避雷器;

（4）過電壓吸收器保護(hù)——濾波器總進(jìn)線斷路器出線端設(shè)置過電壓吸收保護(hù),可有效限制操作過電壓.

6 結(jié)束語

本次課題只是初步完成了怎樣進(jìn)行電解鋁整流供電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償及高次諧波的消除.要達(dá)到良好的無功補(bǔ)償及高次諧波的消除,還需要我們大家共同的探討和分析.

A

1671-6620（2010）S1-0124-04