電弧爐諧波的危害及治理措施探討

【摘要】分析了電弧爐在運行時產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)設(shè)備造成的危害，并提出了相應(yīng)的防范措施。

【關(guān)鍵詞】諧波；事故；分析；措施

1、概況

近年來，隨著人們對電能質(zhì)量要求的提高，治理電網(wǎng)中的諧波污染越來越受到重視，下面是對本公司一個35kV客戶的諧波分析與治理措施的探討。

110kV石西變是通州中部地區(qū)的樞紐變，周圍存在工業(yè)污染和諧波污染，35kV有四條出線，架空線長7.0KM，全線避雷線、電纜總長為0.07kM，供35KV化肥變和鑄管變。后者負荷大都是電弧爐負荷，其中（1600+2200）kVA電弧爐變兩臺、中頻爐兩臺各2000kVA。35kV負荷曲線是一個鋸齒波（見下圖）。

2、諧波對電網(wǎng)造成的危害

自35kV鑄管變接入石西變35kV系統(tǒng)后，化肥變、鑄管變都相繼發(fā)生了不同程度的電纜、瓷瓶等設(shè)備擊穿事故。石西變35kV系統(tǒng)每年也要發(fā)生母線支柱瓷瓶擊穿、母線避雷器爆炸、電容器爆炸35kVPT熔絲熔斷等設(shè)備事故。設(shè)備的損壞不但造成了較大的經(jīng)濟損失，而且對電網(wǎng)的連續(xù)、安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了嚴重威脅。

3、諧波分析

3.1負荷性質(zhì)

35kV石馬線為電弧爐沖擊負荷，最大為8MW，其負荷曲線為鋸齒波。由于電弧爐三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，變動頻率較高，產(chǎn)生沖擊電流及較強的高次諧波，而且極易引起供電電壓的波動和閃變導(dǎo)致三相電壓嚴重的不平衡，是典型的非線性負荷。

3.2現(xiàn)象

110kV石西變電所35kV母線電壓表指針經(jīng)常發(fā)生擺動，出現(xiàn)“虛幻接地”的現(xiàn)象。

3.3電容電流

3.5實測

為此，我和同事們多次請專家對石西變諧波電流進行實測分析

諧波電流測量如下表1-1（請南通供電公司有關(guān)專家實測）

根據(jù)諧波電流表分析，發(fā)現(xiàn)該變電所35kV側(cè)的三次、五次諧波超標。

3.6結(jié)論

從系統(tǒng)阻抗比可以知道石西變35kV系統(tǒng)處于基波諧振區(qū)，由于系統(tǒng)存在著大量的諧波分量，其中零序分量以壓變勵磁回路為通道，從而大大降低了系統(tǒng)的對地電抗。所以，Xc/Xl的值比計算值要大得多，系統(tǒng)的自振頻率不是一個常數(shù)，諧振一經(jīng)激發(fā)，由基頻諧振區(qū)轉(zhuǎn)移到高頻諧振區(qū)，而石西變35kV側(cè)的三次、五次諧波超標，又給高頻諧振提供了必要的條件（正反饋），以三次諧波為例（見圖），當系統(tǒng)對地電容足夠小，在擾動激發(fā)下出現(xiàn)3WLO3=1/3ωCO3時，產(chǎn)生三次諧波諧振。此時各相電壓為U=√（U12+U32）使三相電壓升高，但不超過3.6倍相電壓，因此，高次諧波諧振發(fā)生機率比低頻諧振發(fā)生機率大得多，且諧振電壓較高.因此石西變電所35kV系統(tǒng)發(fā)生高頻諧振的機率大大增加，造成了石西變及連接于35kV母線的兩個35kV用戶變多次發(fā)生設(shè)備故障。

4、防范措施

為了減少和抑制諧波分量，我們著重采取了以下幾個方面的措施。

4.1抑制諧波分量

根據(jù)我們在現(xiàn)場對電弧爐工藝生產(chǎn)流程的了解，電弧爐電流沖擊持續(xù)時間不超過2S，并且兩次沖擊的間隙時間不小于30S，這種短時間的沖擊電流所包含的諧波電流（或暫態(tài)諧波電流）不屬于限制范圍，故我們提出了改善電弧爐的操作方法、改進填料工藝，以減少沖擊電流的建議，廠方予以了采納。

根據(jù)交流濾波裝置，能夠有效地吸收諧波源產(chǎn)生的諧波電流，降低諧波電壓，我們在鑄管變內(nèi)加裝了交流濾波裝置。

4.2破壞諧振條件

根據(jù)系統(tǒng)Xc/Xl值，增加諧振回路阻尼電阻，在石西變及鑄管、化肥變35kV母線壓變開口處加裝阻尼電阻，消除基波諧振電阻。

壓變一次側(cè)中性點處加裝了專用消諧器。在石西變35kV母線上，裝設(shè)了星形接線的電容器組，當Xc/Xl<0.01時，諧振就不會發(fā)生。

4.3減小諧振的破壞程度

為了減小諧振設(shè)備的過電壓程度，將石西變所有35kV出線避雷器均由原來的YCZ-35型換為殘壓低、滅弧電壓高和通流容量大的HY5W1-54/134型氧化鋅避雷器，在鑄管廠用變、化肥廠用變的進線處安裝了HY5CZ5-42/117型避雷器。

將產(chǎn)生諧波的負載供電線路和對諧波敏感的負載的供電線路分開運行。這樣以使由非線性負載產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)到線性負荷上為此我們對石西變電所的接線方式進行了改善。在原來一臺變壓器供電的基礎(chǔ)上又增加一臺變壓器。正常方式規(guī)定：將含有諧波源的線路用一臺變壓器專供。既可抑制諧波電源，又可以因諧波故障發(fā)生，而縮小停電范圍，使負荷轉(zhuǎn)供方便靈活。將35kV母線上的化肥廠負荷與鑄管廠的負荷分別接于35kVI、II段母線上。詳見一次接線圖。

5、效果

以上技術(shù)措施的實施，對石西變35kV系統(tǒng)諧波電流起到了一定的抑制作用。幾次實測，均沒有發(fā)現(xiàn)諧波電流超標的現(xiàn)象。

6、小結(jié)

電弧爐產(chǎn)生的諧波，對電氣設(shè)備的安全、用戶的連續(xù)供電等都有不利影響，供電企業(yè)必須從源頭上抓諧波管理。對報裝接電且含有非線性負荷的用戶，把抑制和截堵諧波工作放在設(shè)計中，在進行無功補償設(shè)計時就要考慮對諧波的治理，對已投運的非線性用戶，要從技術(shù)上采取切實可行的措施抑制諧波分量。

參考文獻

[1]引用H.A.Peterson模擬試驗結(jié)果劃分諧振區(qū)域：1/2分頻諧振區(qū)——Xc0/Xl約為 0.01—0.08 基波諧振區(qū)——Xc0/Xl約為 0.08—0.8 高波諧振區(qū)——Xc0/Xl約為 0.6—3.0

[2]宋士通.山東省蓬萊電業(yè)公司.電力網(wǎng)諧波的危害及其對策

[3]王兆安.楊君.《諧波抑制和無功功率補償》.機械工業(yè)出版社