滏陽化工廠諧波分析及治理方案

1、滏陽化工廠諧波分析及治理方案             論文作者：孫書田 孫建華 魏桂蘭 李津摘要 諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設(shè)備（包括化工電解整流設(shè)備）及其它非線性負(fù)荷產(chǎn)生，諧波源產(chǎn)生的諧波不但危及電網(wǎng)及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益的。本文以滏陽化工廠為實(shí)例對(duì)諧波的產(chǎn)生及治理方案進(jìn)行了分析研究。 關(guān)鍵詞諧波造成的危害 系統(tǒng)接線  1諧波造成的危害諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設(shè)備（包括化工電解整流設(shè)備）及其它非線性

2、負(fù)荷產(chǎn)生，諧波源產(chǎn)生的諧波不但危及電網(wǎng)及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益的。本文以滏陽化工廠為實(shí)例對(duì)諧波的產(chǎn)生及治理方案進(jìn)行了分析研究。該化工廠由郝村站供電，站內(nèi)裝設(shè)三組共108Mvar并聯(lián)電容器，分別串聯(lián)有45，7和12電抗率的電抗器，分別用于限制五次及以上、四次及以上、三次及以上高次諧波放大并分別對(duì)五次諧波、四次諧波、三次諧波形成不完全濾波。投運(yùn)后電容器出現(xiàn)嚴(yán)重過負(fù)荷，噪音異常，個(gè)別電容器投運(yùn)不久就發(fā)生鼓肚現(xiàn)象，后測(cè)試發(fā)現(xiàn)母線諧波電壓和電容器回路諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，為防止設(shè)備進(jìn)一步損壞，將108Mvar電容器全部退出運(yùn)行。通過對(duì)赫村站進(jìn)一步測(cè)試結(jié)果表明，諧

3、波主要是來自滏陽化工廠，不僅諧波含量高而且諧波頻譜范圍寬（最低為二次）。在齊村熱電廠供電區(qū)內(nèi)，電網(wǎng)及用戶近幾年也相繼發(fā)生了一些問題，如王郎110kV變電站綜合自動(dòng)化繼電保護(hù)裝置曾多次發(fā)生誤動(dòng)，調(diào)查分析普遍認(rèn)為諧波造成保護(hù)誤動(dòng)的可能性比較大。另外，諧波對(duì)熱電廠的發(fā)電機(jī)也帶來了一些不利影響，發(fā)生過保護(hù)誤動(dòng)故障（主要是諧波中的負(fù)序分量影響），熱電廠曾以某種方式就此提出異議等。郝村站供電范圍內(nèi)用戶的低壓電容器普遍投不上致使用戶功率因數(shù)低而被罰款。這些問題的產(chǎn)生是由于諧波造成的?；S配電系統(tǒng)接線為單線四分段，每段母線由郝村一回10kV出線供電（郝村一段母線帶二回出線），每段母線接一臺(tái)整流變壓器，其中有

4、兩臺(tái)的額定容量為125MVA，正常每臺(tái)帶負(fù)荷56MVA，另兩臺(tái)變壓器額定容量均為8MVA，正常每臺(tái)帶負(fù)荷為5MVA，四段母線正常分列運(yùn)行。整流變壓器一次接線為三角形，二次側(cè)為雙反星形接線，可控硅整流，其中兩路還分別接有18Mvar和12Mvar并聯(lián)電容器，電容器回路未串聯(lián)電抗器。詳見圖1。經(jīng)過專業(yè)人員對(duì)化工廠配電系統(tǒng)的接線，設(shè)備配置，運(yùn)行情況進(jìn)行多次調(diào)查和測(cè)試，基本摸清情況，并對(duì)產(chǎn)生2次及以上高次諧波的原因進(jìn)行了分析，制訂了治理方案。2原因分析21系統(tǒng)接線一般地講，并聯(lián)運(yùn)行的整流機(jī)組尤其是可控硅并聯(lián)機(jī)組，對(duì)供電電壓的相位要求非常嚴(yán)格，其交流側(cè)不應(yīng)有兩個(gè)電源分別供電，如有必要?jiǎng)t需對(duì)這兩個(gè)交流電源

5、的供電特性，如電壓水平、周波等應(yīng)有嚴(yán)格的要求，化工廠四臺(tái)整流裝置直流側(cè)并聯(lián)運(yùn)行，其交流電源分別由郝村站一回10kV出線供電，每兩回10kV出線接在一段母線上，并分別由兩臺(tái)分列運(yùn)行的變壓器供電，其中110kV側(cè)或由齊村同一母線供電，或一臺(tái)變壓器由齊村供電，另一臺(tái)由邯鄲熱電廠供電，雖然能保證周波一致，但由于自同一電源點(diǎn)至整流裝置的交流側(cè)，由于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不一致，負(fù)荷不同，使電壓降亦不同，尤其是變壓器電壓差別更顯著一些，致使各組整流機(jī)組的觸發(fā)時(shí)間不同步導(dǎo)通角不盡一致，并由于波形畸變可能使整流裝置的導(dǎo)通情況差異更大，產(chǎn)生非特征諧波。22整流變壓器接線四臺(tái)整流變壓器接線，一次繞組接線為三角形，二次側(cè)為雙反星

6、形接線，等效為六相接線，其產(chǎn)生的特征諧波為：nkp±1k1，2（1）理論計(jì)算對(duì)于p6相其諧波為5，7。實(shí)際上在電解工業(yè)中，廣泛應(yīng)用兩臺(tái)六脈波橋式接線整流機(jī)組并聯(lián)組合形成等效十二脈波電路，對(duì)于二次為雙反星形接線的橋式整流回路，形成等效十二脈波，只需將其一次側(cè)繞組一臺(tái)接成星形另一臺(tái)接成三角形（見圖1b），使兩臺(tái)整流變壓器低壓側(cè)形成30°相角差，對(duì)于等效十二脈波整流電路應(yīng)用（1）式計(jì)算，理論上只存在11、13等高次諧波，即可將含量較高的5、7次諧波消除，而又無需附加任何投資，這是一種非常好的方法，顯然四臺(tái)變壓器一次全部采用三角形接線，二次雙反星接線屬于設(shè)計(jì)選型配置不當(dāng)。兩種接線方

7、式接線如圖1所示。 23控制角分析四組整流裝置變壓器高壓側(cè)諧波電流，不但含有奇次諧波而且含有偶次諧波，尤其以39變更為嚴(yán)重，其產(chǎn)生的原因之一是可控硅整流裝置觸發(fā)角不同及器件特性有差異而產(chǎn)生異常諧波（即非特征諧波）。24電容器裝置的影響在38、39整流裝置的高壓側(cè)母線上分別接有未串聯(lián)電抗器的并聯(lián)電容器組，高壓并聯(lián)電容器對(duì)整流裝置的換相角和諧波電流發(fā)生量以及電網(wǎng)側(cè)電壓畸變程度都有影響。從測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析不難看出，電容器的投入與否，對(duì)諧波電流的影響非常明顯。         3治理措施由于滏陽化工廠諧波負(fù)荷的特殊性既有特

8、征諧波，又有非特征諧波，并且含量較高，涉及到設(shè)備本身存在的問題，已不能采用單一的裝設(shè)濾波裝置，還需要改變變壓器接線，治理整流裝置即需要采取綜合治理方案，才能有較好的濾波效果，并且改變變壓器接線，治理整流裝置不但屬于治本而且與裝設(shè)濾波裝置相比可以以較少的投入取得較好的效果。通過綜合治理使注入系統(tǒng)的諧波電流和母線諧波電壓都在國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍以內(nèi)，使電力系統(tǒng)能夠安全可靠地優(yōu)質(zhì)供電。31治理整流設(shè)備311改變整流變壓器接線，將其中兩臺(tái)變壓器高壓側(cè)接線由三角形改為星形，使一臺(tái)一次星接的整流變與一臺(tái)一次為三角形接線的整流變并列運(yùn)行，使其等效為十二脈波整流，使諧波電流含量較高的5、7次諧波被基本消除，當(dāng)然需

9、要增加平衡電抗器，見圖1。 將變壓器一次繞組由三角形改為星形接線，需要將高壓繞組匝數(shù)減少423，存在的問題是變壓器繞組容量下降為額定容量的577，實(shí)際上改后的容量可達(dá)到額定容量的6070，需要核算改后變壓器容量是否能夠滿足負(fù)荷要求，如容量不存在問題，改變變壓器一次繞組接線不失為一種較好的方案。312產(chǎn)生非特征高次諧波的主要原因是整流裝置本身，因?yàn)橐话闱闆r下，電源電壓為三相對(duì)稱系統(tǒng)，供電回路為三相對(duì)稱回路，產(chǎn)生非特征高次諧波主要是由于整流裝置可控硅的觸發(fā)角不同或器件特性存在差異，通過改進(jìn)控制回路并調(diào)整不合格可控硅，使2、3、4、6次等非特征高次諧波基本被消除（將模擬控制器改為計(jì)算機(jī)控制器）。31

10、3取消高壓側(cè)普通并聯(lián)電容器，因?yàn)槠鋵?duì)整流裝置的導(dǎo)通情況產(chǎn)生影響并對(duì)高次諧波電流產(chǎn)生放大作用，其危害太大，需要拆除以消除其影響。32裝設(shè)濾波裝置濾波裝置的裝設(shè)需要根據(jù)整流裝置產(chǎn)生的高次諧波次數(shù)及高次諧波電流值和無功功率平衡等條件確定。在本項(xiàng)目中濾波裝置的裝設(shè)還需要考慮以下兩種因素：   （1）濾波裝置安裝方式 化工廠內(nèi)四套整流裝置正常分別由郝村一路10kV出線供電，每兩路10kV出線接在郝村一段10kV母線上。 每套整流裝置裝設(shè)一套濾波裝置共需四套濾波裝置。改進(jìn)化工廠接線，即將正常工作時(shí)一回10kV線路分別帶一套整流裝置改為同一母線上的兩回線路并列運(yùn)行（相應(yīng)的保護(hù)要復(fù)雜一些）

11、。每段母線裝設(shè)一套濾波裝置，又需要裝設(shè)兩套濾波裝置，既可節(jié)約投資，又可保證濾波效果，是一種較為理想的方案。同時(shí)為變壓器一次繞組改接線后使兩套整流裝置并列運(yùn)行成為可能。   （2）整流設(shè)備治理效果 前已述及非特性高次諧波的產(chǎn)生主要是由于整流裝置的觸發(fā)角不同及器件特性有差異引起，治理整流裝置消除其差異取得的效果對(duì)濾波裝置的設(shè)置有影響，若基本能消除2、3、4次及以上偶次諧波則濾波裝置只需濾除5次及以上的奇次諧波。若2、3、4次及以上偶次諧波仍超過國家標(biāo)準(zhǔn)，則濾波裝置需濾除二次及以上高次諧波，高次諧波次數(shù)越低對(duì)相應(yīng)的濾波設(shè)備要求也愈高，顯然這種情況我們不希望出現(xiàn)，因?yàn)樗鼘⑹篂V波裝置

12、復(fù)雜，投資高、損耗大，運(yùn)行費(fèi)用也提高。我們認(rèn)為，經(jīng)過治理整流設(shè)備應(yīng)該能消除或基本消除偶次諧波及三次諧波，使其注入系統(tǒng)的諧波電流含量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，萬一達(dá)不到這種效果再考慮裝設(shè)相應(yīng)的濾波裝置。濾波方案按以下條件確定：（1）每套濾波裝置裝設(shè)5、7、11次單通濾波器，單通濾波器選擇RLC串聯(lián)的B型濾波器，裝設(shè)一套13次及以上的高通濾波器，其選擇H型濾波器。 （2）按改進(jìn)化工廠一次接線方案即兩套整流裝置設(shè)置一套濾波裝置，在化工廠共裝置兩套濾波裝置。 （3）暫按不改變變壓器一次繞組配置濾波裝置，如果改接線實(shí)施時(shí)再取消5、7次單通濾波器。按目前實(shí)測(cè)的諧波電流含量設(shè)計(jì)濾波裝置，待治理整流設(shè)備后實(shí)測(cè)諧波電

13、流再調(diào)整濾波器參數(shù)。33濾波器設(shè)計(jì)331設(shè)計(jì)條件為使濾波器設(shè)計(jì)合理，既滿足濾波要求又盡可能節(jié)約投資和降低損耗，需要掌握以下三個(gè)條件：   （1）系統(tǒng)阻抗（高頻阻抗）及其變化范圍需要了解系統(tǒng)在各種運(yùn)行方式下的阻抗頻率變化曲線，或者最不利條件時(shí)即最小運(yùn)行方式下的阻抗頻率曲線。工程上對(duì)于10kV系統(tǒng)可以等效為感性阻抗，并認(rèn)為系統(tǒng)高頻阻抗始終是感性，本工程中，在最小運(yùn)行方式下的基波阻抗值為Xx05（Sj100MVA）。   n次諧波下的系統(tǒng)諧波阻抗為" Xnx05n（2）諧波源產(chǎn)生的諧波量根據(jù)以往多次實(shí)測(cè)結(jié)果綜合確定，各套整流裝置的諧波電流見表1。 由

14、于測(cè)量是隨機(jī)的，具有分散性和不完全性，根據(jù)實(shí)際情況，在實(shí)測(cè)結(jié)果基礎(chǔ)上再考慮一定的余量作為設(shè)計(jì)參數(shù)。  （3）諧波限制標(biāo)準(zhǔn)   對(duì)諧波的限制以我國現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)值。本工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)略高于國家標(biāo)準(zhǔn)（主要是考慮負(fù)荷有可能要發(fā)展及留有適當(dāng)?shù)挠喽龋?34單調(diào)諧濾波器與電力系統(tǒng)的諧振對(duì)于n次單調(diào)諧濾波器，其電感元件Ln與電容元件Cn滿足n·Ln1（nCn），而對(duì)于低于n次的m次諧波，n次單調(diào)諧濾波器回路呈容性，在一定條件下，單調(diào)諧濾波器與系統(tǒng)可能發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，諧振時(shí)發(fā)生的過電流和過電壓將增大損耗，損壞設(shè)備，危害非常嚴(yán)重，因此，必須避免單調(diào)諧濾波器與系統(tǒng)發(fā)生諧振現(xiàn)象。 單調(diào)諧與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振的等效電路見圖2。經(jīng)過分析可以得出結(jié)論，對(duì)于n次單調(diào)諧濾波器為防止發(fā)生m次諧波諧振只要使   式中：LS系統(tǒng)等值電感；