密煉機(jī)供電系統(tǒng)的諧波治理措施

孫 亮 張琦俊

（1.浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，杭州 310012； 2.浙江城建煤氣熱電設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展及輪胎廠生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，輪胎行業(yè)大量使用大功率的橡膠工藝設(shè)備，如密煉機(jī)、雙復(fù)合擠出生產(chǎn)線、冷喂料擠出機(jī)等設(shè)備，多數(shù)采用直流調(diào)速或變頻調(diào)速裝置。然而這類裝置的使用在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生大量的諧波，且功率因數(shù)偏低，造成電能浪費(fèi)的同時(shí)還危及到工藝、電力設(shè)備的安全運(yùn)行及產(chǎn)品質(zhì)量。以下就輪胎行業(yè)密煉機(jī)供電系統(tǒng)的諧波治理進(jìn)行分析。

1 密煉機(jī)供電系統(tǒng)諧波分析

1.1 密煉機(jī)運(yùn)行工況

輪胎工廠的密煉機(jī)是一種捏煉強(qiáng)度極大的混合設(shè)備，主要用于橡膠的塑煉和混煉。在混煉物料的過程中要消耗大量的電能，其功率曲線圖如圖1所示[1]。從圖中可以看出密煉機(jī)工作過程中負(fù)荷量大且波動(dòng)劇烈。

密煉機(jī)負(fù)荷以交流變頻電機(jī)為主，其變頻調(diào)速裝置的整流部分采用晶閘管整流技術(shù)，在工作時(shí)產(chǎn)生大量的高次諧波。由于變頻調(diào)速裝置多采用六脈動(dòng)整流技術(shù)，所以產(chǎn)生的諧波以5 次、7 次、11 次、13 次為主。

圖1 密煉機(jī)功率曲線

1.2 諧波的危害

由于大功率變頻調(diào)速裝置在密煉機(jī)供電系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波，供配電系統(tǒng)如果長期處于此運(yùn)行狀況，將對(duì)用戶自身、供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量及電力系統(tǒng)造成極大的危害[2]，具體表現(xiàn)為以下方面：

1）大量的諧波電流造成并聯(lián)電容器無法正常投入使用，甚至發(fā)生電容器燒毀、爆炸等現(xiàn)象，致使功率因數(shù)嚴(yán)重偏低，電力罰款數(shù)額增大。

2）變壓器在較低負(fù)荷率時(shí)溫升達(dá)到額定值，變壓器使用容量大大降低。

3）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，造成無功沖擊嚴(yán)重，供電母線電壓波動(dòng)、壓降較大。

4）諧波使系統(tǒng)各類繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置誤動(dòng)和拒動(dòng)，電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

5）諧波對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)造成干擾，輕者降低通信質(zhì)量，重者使系統(tǒng)無法正常工作。

目前在橡膠工廠工程設(shè)計(jì)中，多數(shù)業(yè)主電氣管理人員要求對(duì)諧波進(jìn)行抑制，由此表明橡膠工廠諧波的影響越來越嚴(yán)重，影響了企業(yè)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 諧波治理及國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

從以上分析可知，密煉機(jī)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波嚴(yán)重影響供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量。且根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定，用戶注入公共連接點(diǎn)的諧波電流不得超過表1所列值（部分標(biāo)準(zhǔn)）。因此采取必要的治理措施消除諧波對(duì)供電電網(wǎng)、電氣設(shè)備、裝置等造成的影響是十分必要的。

從表1可以看出注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值和基準(zhǔn)短路容量有關(guān)，即與系統(tǒng)阻抗有關(guān)。系統(tǒng)短路容量越大，系統(tǒng)阻抗越小，諧波電流引起的電壓畸變就越小，允許諧波電流值越大。當(dāng)電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于表1中基準(zhǔn)短路容量時(shí)，應(yīng)按照式（1）進(jìn)行修正：

式中，S1k為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；S2k為基準(zhǔn)短路容量，MVA；Inp為表1中第n次諧波電流允許值，A；In為短路容量為 1kS時(shí)的第n次諧波電流允許值，A。

表1 注入電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波電流值

3 諧波治理工程實(shí)例

3.1 系統(tǒng)概況

某工程密煉機(jī)供配電系統(tǒng)電源引自10kV 系統(tǒng)，共設(shè)有2 臺(tái)變壓器1T1、1T2，容量分別為4000kVA、2000kVA，聯(lián)結(jié)方式分別為Dyn11、Dy11d0，阻抗電壓Uk%為6%，電壓變比為10/0.69kV。1T1 變壓器向1#密煉機(jī)供電，1#密煉機(jī)由2×1250kW 交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。1T2 變壓器向2#密煉機(jī)供電，2#密煉機(jī)由1250kW 交流變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)。配電系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 配電系統(tǒng)圖

考慮到密煉機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)不到供電部門要求的不低于0.92，因此在供電系統(tǒng)變壓器低壓側(cè)裝設(shè)容量為600kvar 動(dòng)態(tài)電容補(bǔ)償柜3 臺(tái)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。

3.2 諧波電流計(jì)算

用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速的單臺(tái)變頻裝置，一般是6 脈動(dòng)裝置，其諧波電流含有率[3]如表2所示。

表2 電動(dòng)機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)用變頻裝置的諧波電流含量（In/I1） 單位：%

諧波源的各次諧波電流的方均根值即為總諧波電流含量，計(jì)算公式為

式中，In第n次諧波電流（方均根值）。

如果兩個(gè)諧波源的同次諧波電流在一條線路的同一相上疊加，當(dāng)相位角不確定時(shí)，計(jì)算公式為

式中，I1n為諧波源1 的第n次諧波電流，A；I2n為諧波源2 的第n次諧波電流，A；nK為系數(shù)按照表3選取。如果兩個(gè)以上同次諧波電流疊加時(shí)，首先將兩個(gè)諧波電流疊加，然后再與第三個(gè)諧波電流相疊加，依此類推。

表3 系數(shù)Kn 取值

由于供電系統(tǒng)中密煉機(jī)變頻裝置采用六脈動(dòng)整流技術(shù)，結(jié)合公式（2）、（3），計(jì)算出1#、2#密煉機(jī)的各次諧波電流值及總諧波電流值，且根據(jù)式（1）可計(jì)算出低壓0.69kV 的諧波電流允許值，如表4所示。

表4 1#、2#密煉機(jī)各次諧波電流值

由計(jì)算結(jié)果可以看出，整流變壓器低壓側(cè)（0.69kV）5 次、7 次諧波電流值超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值，11 次、13 次諧波電流值未超過規(guī)定允許值。

3.3 諧波治理措施

目前治理諧波的主要方法是裝設(shè)濾波器以濾除非線性設(shè)備所產(chǎn)生的諧波。濾波器的類型主要包括無源電力濾波器、有源電力濾波器、混合電力濾波器等[2]。由于無源濾波器的設(shè)計(jì)大多針對(duì)特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧波，存在著與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性，并且對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率變化十分敏感等。為此采用有源電力濾波器對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理。

有源電力濾波器（APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，對(duì)沖擊性負(fù)載、負(fù)荷變化劇烈的供電系統(tǒng)進(jìn)行諧波補(bǔ)償具有特別明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其工作原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流或電壓大小相等相位相反的補(bǔ)償電流或電壓，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。有源濾波器與非線性負(fù)荷并聯(lián)安裝，注入與非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波反相的電流（Ih=-Iact），使得線路電流Is保持為正弦波，工作原理圖如圖3所示[4]。與其他濾波技術(shù)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)：

1）具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。

2）具有高度可控性和快速響應(yīng)性，響應(yīng)時(shí)間小于10ms。

3）安裝位置靈活，可以對(duì)單個(gè)非線性負(fù)荷、集中非線性負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。

4）補(bǔ)償對(duì)象的諧波電流超出電力有源濾波裝置的額定輸出電流，不會(huì)出現(xiàn)電力有源濾波裝置過載，保證設(shè)備實(shí)時(shí)安全運(yùn)行。

5）受系統(tǒng)電網(wǎng)阻抗變化影響小，消除濾波器與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，克服傳統(tǒng)LC 無源濾波器的缺點(diǎn)。

6）選型時(shí)只需要考慮諧波電流大小，與負(fù)荷類型無關(guān)。

圖3 有源電力濾波器工作原理

3.4 有源濾波器選型及系統(tǒng)配置

結(jié)合表4中的諧波電流數(shù)據(jù)，根據(jù)需要濾除諧波電流的大小，考慮一定的裕量選擇正確的有源電力濾波器規(guī)格，如表5所示。

表5 有源電力濾波器規(guī)格

本工程密煉機(jī)供電系統(tǒng)中的變頻裝置屬于大功率非線性負(fù)荷，采用單獨(dú)治理方式，有源濾波器就地安裝，當(dāng)非線性負(fù)荷產(chǎn)生諧波時(shí)就地治理，可以有效降低線路損耗。采用有源電力濾波器的系統(tǒng)配置圖如圖4所示，兩臺(tái)有源濾波器并列運(yùn)行。

圖4 密煉機(jī)供電系統(tǒng)配置圖

4 結(jié)論

非線性負(fù)荷大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，由此產(chǎn)生的電力諧波給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和供用電設(shè)備造成極大的影響和危害。結(jié)合輪胎工業(yè)電氣設(shè)計(jì)，分析了密煉機(jī)供電系統(tǒng)諧波的特點(diǎn)及危害性，介紹了諧波電流的計(jì)算方法，探討了諧波治理的濾波措施。分析提出，采用有源電力濾波器能實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地跟蹤大容量沖擊性負(fù)荷的諧波變化，實(shí)現(xiàn)最佳的濾波效果。

[1] 邱立武,等.用功率曲線輔助分析密煉機(jī)膠料混煉過程[J].輪胎工業(yè),2004(11):689-692.

[2] 王兆安,楊君,等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償(第二版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[3] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組編.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版).北京:中國電力出版社,2005.

[4] 施耐德公司.電氣裝置應(yīng)用(設(shè)計(jì))指南(第二版).北京:中國電力出版社,2007.