基于ETAP水泥廠配電諧波分析

高文富 劉艾明 蔣忠民

中材建設(shè)有限公司（100176）

0 引言

在水泥行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，電力電子元件的設(shè)備（變速電動(dòng)機(jī)控制器、晶閘管控制整流器等）被廣泛使用，因此在供電系統(tǒng)中造成了許多由諧波引發(fā)的問(wèn)題。

主要存在以下問(wèn)題∶

1）電流有效值增加，導(dǎo)致配電網(wǎng)過(guò)載。

2）單相負(fù)荷導(dǎo)致3次諧波增加，中性線過(guò)載。

3）發(fā)電機(jī)、變壓器和電機(jī)的過(guò)載、振蕩、過(guò)早老化，以及變壓器噪聲的增加。

4）功率因數(shù)校正電容器的過(guò)載及過(guò)早老化。

5）供電電源畸變所引起的對(duì)靈敏負(fù)荷的干擾。

6）對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)和電話線的干擾。

諧波引起的主要經(jīng)濟(jì)影響有∶

1）設(shè)備過(guò)早老化意味著，除非從開(kāi)始就將它選的過(guò)大，否則很快就不得不更換這個(gè)設(shè)備。2）配電網(wǎng)過(guò)載，會(huì)需要更高的認(rèn)購(gòu)功率水平，損耗加大。3）電流波形畸變會(huì)引起誤跳閘，從而引起停產(chǎn)。4）導(dǎo)致電容器及電力電子元件（如變頻器）頻繁的故障，從而引起停產(chǎn)。

十多年前,諧波還不能真正的算作一個(gè)問(wèn)題,因?yàn)樗鼈儗?duì)配電網(wǎng)的影響一般很小。但是，設(shè)備中引入大量電力電子元件使得工廠中配電網(wǎng)的諧波污染情況非常嚴(yán)重。因此必須對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行分析，進(jìn)行有效的前期干預(yù)和采取必要的治理措施來(lái)消除諧波帶來(lái)的影響。為此，我們決定對(duì)選用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件對(duì)水泥廠的整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行分析，以便精確的掌握諧波分布及其帶來(lái)的影響。

此次選擇的ETAP電網(wǎng)分析軟件在全球關(guān)鍵領(lǐng)域如核電、煉油、化工等均有廣泛的應(yīng)用。目前我公司承攬的大部分為全球高端水泥客戶(hù)的項(xiàng)目，國(guó)外業(yè)主對(duì)水泥生產(chǎn)線的可靠性要求非常高。在全線投產(chǎn)后，由于諧波所造成的電力設(shè)備損害和生產(chǎn)線停產(chǎn)不能被業(yè)主接受，如果發(fā)生的話，會(huì)給我們公司和業(yè)主帶來(lái)巨大的損失。因此必須將國(guó)際領(lǐng)先的電網(wǎng)分析軟件引入項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)精確分析，合理選型，提前預(yù)警以便采取相應(yīng)的治理措施。

1 ETAP諧波分析

整理我公司FES項(xiàng)目的所有關(guān)鍵設(shè)備（如變壓器、電機(jī)、變頻器、電纜）的參數(shù)包括老廠的參數(shù)，在ETAP軟件中,根據(jù)電力系統(tǒng)的單線圖進(jìn)行建模，輸入實(shí)際的電氣設(shè)備的參數(shù)，利用軟件的功能模塊進(jìn)行模擬分析。從而得出諧波源所帶來(lái)的影響，并采取相應(yīng)的措施來(lái)消除這些影響，例如∶調(diào)整電容器等設(shè)備的參數(shù)，改變接線的結(jié)構(gòu)，必要時(shí)引入濾波器。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我公司FES項(xiàng)目配電一次圖如下圖1所示。

該配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行方式有以下三種∶

形式1∶兩路60 KV進(jìn)線通過(guò)三臺(tái)60 KV/5.5 KV的主變給全廠供電。即主開(kāi)關(guān)的狀態(tài)為∶E11-1SC閉合、E11-1SD閉合、E11-1SG閉合,則60 KV側(cè)母線短路電流為7 KA，X/R=2.164。

形式2∶一路60 KV進(jìn)線通過(guò)E11-1SC開(kāi)關(guān)及三臺(tái)60 KV/5.5 KV的主變給全廠供電。即主開(kāi)關(guān)狀態(tài)為∶E11-1SC閉合、E11-1SG閉合、E11-1SD斷開(kāi)，則60 KV側(cè)短路電流值為3.5 KA，X/R=2.164。

形式3∶一路60 KV進(jìn)線通過(guò)E11-1SD開(kāi)關(guān)及三臺(tái)60 KV/5.5 KV的主變給全廠供電。即主開(kāi)關(guān)狀態(tài)為∶E11-1SD閉合、E11-1SG閉合、E11-1SC斷開(kāi)，則60 KV側(cè)短路電流值為3.5 KA，X/R=2.164。

5.5 KV側(cè)的母線聯(lián)絡(luò)均視為打開(kāi)。為了顯示60 KV電源側(cè)的諧波電流畸變值，因此在每一路60 KV主進(jìn)回路虛擬了一個(gè)小的阻抗，阻抗值Z為0.001 Ω。

1.2 負(fù)載率及諧波源參數(shù)

負(fù)載率的水平定義如下∶

1）中壓電機(jī)拖動(dòng)的磨機(jī)∶90%

2）中壓電機(jī)拖動(dòng)的風(fēng)機(jī)及破碎機(jī)∶80%3）窯主傳∶50%

4）所有的低壓MCC拖動(dòng)的電機(jī)∶75%

5）同期系數(shù)選擇1

下面僅以ABB ACS800變頻器來(lái)說(shuō)明諧波源參數(shù)的整理。如高溫風(fēng)機(jī)變頻器型號(hào)為ACS800-07-1160-7 12-pulse rectifier，并綜合ETAP軟件諧波源庫(kù)的資料及從ABB得到的諧波參數(shù),定義以下諧波源的主要參數(shù)。ACS800變頻器的諧波電流波形如圖4所示，頻譜如圖5所示。

1.3 需達(dá)到的諧波治理標(biāo)準(zhǔn)

需滿足規(guī)范IEEE519-1992(電力網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于諧波的要求)，如圖2、圖3所示。

1.4 ETAP諧波分析結(jié)果

僅列出正常操作模式下的分析報(bào)告。

60 KV母線側(cè)阻抗曲線觀測(cè)如圖6所示。60 KV母線側(cè)諧波頻譜觀測(cè)如圖7所示。60 KV側(cè)波形觀察如圖8所示。

由于系統(tǒng)中變頻器的使用，諧波電流相應(yīng)的產(chǎn)生，主要存在于5次、7次、11次、及13次。通過(guò)頻率掃描，可以看出在200 Hz處，諧波電流所對(duì)應(yīng)的阻抗有一個(gè)明顯的下降。對(duì)于5次及以下諧波，諧波電流所對(duì)應(yīng)的阻抗通道可以接受。200 Hz頻率點(diǎn)附近可能的諧振點(diǎn)超出了諧波頻譜的范圍，因此可以避免諧波的放大。

在正常操作模式下,5.5 KV母線側(cè)最大的VTHD為1.82%，產(chǎn)生于3P1-1S1母線。在0.4 KV母線側(cè)，最大的VTHD值為2.54%。兩路60 KV進(jìn)線的VTHD為0.34%。以上各值都沒(méi)有超IEEE519-1992中所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值。

2 工程應(yīng)用效果

在我公司承攬的項(xiàng)目中,以國(guó)外項(xiàng)目居多，而國(guó)外業(yè)主對(duì)諧波值的要求越來(lái)越嚴(yán)格。因此，應(yīng)用新技術(shù)對(duì)滿足國(guó)內(nèi)外水泥行業(yè)的需求都是非常必要的，使用ETAP軟件可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)，避免選型偏差，避免后期調(diào)試運(yùn)行及正常生產(chǎn)中諧波對(duì)于電氣設(shè)備的影響，可以提高工廠運(yùn)行可靠性。

3 總結(jié)

ETAP軟件需要組織大量的人員培訓(xùn),直接或間接的增加了項(xiàng)目操作的成本。

只有完整精確的獲取電網(wǎng)中各個(gè)主要電氣的技術(shù)參數(shù)，才能精確的建模，分析結(jié)果才是可靠的。因此，需要耗費(fèi)比較大的精力去搜集工廠中電氣設(shè)備的參數(shù)，尤其是對(duì)于擴(kuò)建項(xiàng)目，獲取老廠已有設(shè)備的參數(shù)難度比較大。

[1]曹立威.SPWM諧波分析的一般方法[J].電力電子技術(shù),2002.

[2]張靜.諧波鎖模光纖激光器脈沖振幅數(shù)值分析[M].

[3]ETAP幫助開(kāi)發(fā)手冊(cè)[M].