加工制造場所的諧波治理

蔣 佃 剛

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院, 北京 100044)

加工制造場所的諧波治理

蔣 佃 剛

(中國建筑設(shè)計(jì)研究院, 北京 100044)

檢測了某加工制造場所非線性負(fù)載的電能質(zhì)量數(shù)據(jù),分析了諧波的典型特征。理論對(duì)比了無源和有源濾波兩種諧波治理方案,采用并聯(lián)有源電力濾波器進(jìn)行了諧波治理。結(jié)果表明,有源濾波系統(tǒng)消除了諧波干擾,無功補(bǔ)償可以順利投切,且提高了功率因數(shù)。

電能質(zhì)量; 諧波; 有源電力濾波器; 功率因數(shù)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高,現(xiàn)代化加工制造生產(chǎn)線上使用了大量的先進(jìn)電力電子設(shè)備。這些非線性負(fù)載(諧波源)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的諧波,嚴(yán)重污染配電網(wǎng)的電能質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)甚至造成停電,影響生產(chǎn)。

本文基于某加工制造場所,采用并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理,治理效果完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

1 現(xiàn)場情況

某合金加工制造廠的加工制造配電所共有2臺(tái)變壓器,生產(chǎn)線使用中頻爐等大型非線性負(fù)荷,在使用過程中出現(xiàn)以下情況:

(1) ICP高端分析儀損壞,出現(xiàn)瞬時(shí)掉電現(xiàn)象。

(2) 無功補(bǔ)償柜中的電容器組不能投入,易燒毀。

(3) 斷路器噪聲大,母排、線纜發(fā)熱明顯。

(4) 變壓器負(fù)荷率很高。

針對(duì)這一情況,廠方請(qǐng)專業(yè)人員進(jìn)行了電能質(zhì)量的檢測,發(fā)現(xiàn)中頻爐85%諧波含量以上為低次諧波,諧波能量大大超出用電設(shè)備的承受范圍。

2 檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場負(fù)載類型,測試了主要負(fù)載饋線端和變壓器進(jìn)線柜的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。檢測位置示意圖如圖1所示。

圖1 檢測位置示意圖

中頻爐饋線波形圖如圖2所示。由圖2可見,中頻爐基波電流大小為280 A,畸變率為27.1%,主要為5、7次諧波。

變頻器進(jìn)線柜數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3可見,變壓器進(jìn)線柜基波電流為1 550 A,總畸變率為15.2%,5、7次諧波畸變率分別為13.4%、6.2%。

圖2 中頻爐饋線波形圖

由以上分析,可得出如下結(jié)論:

(1) 中頻爐負(fù)荷的諧波量很大,波形畸變嚴(yán)重,畸變率高達(dá)27.1%,主要為5、7次諧波。

(2) 變壓器進(jìn)線柜匯集了非線性負(fù)荷的電流,波形削頂畸變嚴(yán)重呈方波,總畸變率達(dá)到15.2%,基波電流達(dá)1 550 A,則變壓器進(jìn)線諧波電流為1 550×15.2%=235.6 A。

(3) 變壓器的視在功率高,大部分為無功功率,使用效率低下,實(shí)際運(yùn)行溫度較高,運(yùn)行環(huán)境惡劣。

圖3 變頻器進(jìn)線柜數(shù)據(jù)

3 治理方案及效果分析

GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定,電壓0.38 kV等級(jí)允許值為5%,奇次、偶次諧波電壓含有率分別為4%、2%。

在保留現(xiàn)有電容柜的情況下,治理后注入電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波電流分量(方均根值)不應(yīng)超過表1中規(guī)定的允許值。

3.1 治理方案

從治理諧波的角度考慮,可以選擇無源和有源濾波兩種諧波治理方案。

無源濾波設(shè)備除了起濾波作用外,還兼做無功補(bǔ)償。無源濾波方式成本相對(duì)較低,但有以下一些缺陷:

(1) 對(duì)于功率因數(shù)較高(>0.9)的用電設(shè)備,電容組數(shù)大多會(huì)出現(xiàn)無功倒送,方案設(shè)計(jì)較難,一般只能對(duì)起主要作用的5、7次諧波采取分流或?yàn)V波。

表1 諧波電流允許值

(2) 電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能。單調(diào)諧濾波器的諧振頻率會(huì)因電容、電感參數(shù)的偏差或變化而改變,電網(wǎng)頻率也會(huì)有一定波動(dòng),導(dǎo)致濾波器失諧;電網(wǎng)阻抗變化會(huì)對(duì)濾波裝置,尤其是單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響。

(3) 有效材料消耗多,體積大。

(4) 只能消除待定的諧波,對(duì)某些諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用。

從該合金加工廠項(xiàng)目的負(fù)荷檢測情況分析,中頻爐屬于變化較快、沖擊性較大的非線性負(fù)荷,主要是5、7次諧波隨著不同的工作狀態(tài)在快速變動(dòng)。因此,經(jīng)綜合考慮,采用有源濾波的方式。

有源濾波系統(tǒng)不但可達(dá)到正常情況時(shí)的濾波效果,還能對(duì)其他情況進(jìn)行防治。

圖1所示支護(hù)建議圖適用于一般情況，并沒有對(duì)支護(hù)類型進(jìn)行明確的區(qū)分，而是基于連續(xù)的變化。支護(hù)圖給出了相應(yīng)于支護(hù)形式所采用的錨桿中心對(duì)中心間距和噴混凝土厚度。標(biāo)注了鋼纖維噴混凝土的能量吸收，以及錨桿長度和鋼支撐加固的噴混凝土設(shè)計(jì)。對(duì)于特殊情況，可適當(dāng)增加相應(yīng)的支護(hù)形式和支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)量。鋼纖維的參量設(shè)計(jì)及其力學(xué)性能國內(nèi)亦有諸多研究[8-9]，可與Q系統(tǒng)能量吸收參照。

有源濾波系統(tǒng)且有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:

(1) 治理諧波的同時(shí),抑制閃變,補(bǔ)償無功。

(2) 濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。

(3) 具有自適應(yīng)功能,可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化諧波,即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點(diǎn)。

(4) 諧波目標(biāo)存留含量可能低于3%。

(5) 可在功率因數(shù)接近于1、無法進(jìn)一步安裝無功功率器件的情況下使用。

根據(jù)現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)和機(jī)房配電的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),負(fù)荷在測試時(shí)約為70%,考慮高峰時(shí)負(fù)荷的大電流,配置2臺(tái)有源電力濾波器進(jìn)行治理,容量選擇為300 A,安裝在1#、2#變壓器低壓側(cè)。

3.2 治理后分析

治理后變壓器進(jìn)線柜數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 治理后變壓器進(jìn)線柜數(shù)據(jù)

由圖4可見,諧波治理后,有源濾波系統(tǒng)消除了諧波干擾,無功補(bǔ)償柜可以順利投切,功率因數(shù)提高到0.95以上;電流波形顯示為相對(duì)完整的正弦波,總畸變率由最初的29.5%降至0.9%;對(duì)低次諧波抑制作用明顯,保護(hù)了電容柜的安全投運(yùn)。

經(jīng)過現(xiàn)場的長期觀察及記錄,ICP精密分析儀電源運(yùn)行穩(wěn)定,合金測試頻譜準(zhǔn)確,消除了控制系統(tǒng)的誤動(dòng)作,保證了油機(jī)的高效率運(yùn)行,并節(jié)省了維護(hù)成本。

4 結(jié) 語

現(xiàn)代化的加工制造業(yè)中非線性負(fù)荷會(huì)給企業(yè)帶來較大的損失。本文分析了某合金加工制造廠的諧波治理方案,采用的有濾波系統(tǒng)消除了諧波干擾,給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也符合國家對(duì)節(jié)能減排的要求。

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Harmonic Suppression of Processing and Manufacturing Place

JIANGDiangang

(China Architecture Design & Research Group, Beijing 100044, China)

Based on an example of typical nonlinear processing manufacturing place,this paper detected the power quality data of nonlinear load and analyzed the typical characteristics of the harmonic. The passive and active filtering schemes were compared. The parallel active power filter was used to control the harmonic. The results show that the harmonic interference is eliminate and the reactive compensation is switched smoothly,which improves the power factor.

power quality; harmonic; active power filter; power factor

蔣佃剛(1977—),男,高級(jí)工程師,從事建筑電氣設(shè)計(jì)工作。

TN 713

A

1674-8417(2015)07-0062-04

2015-06-26