化工廠諧波分析論文

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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10．8Mvar并聯(lián)電容器，分別串聯(lián)有4．5％，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10．8Mvar電容器全部退出運(yùn)行。

通過對(duì)赫村站進(jìn)一步測試結(jié)果表明，諧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。

化工廠配電系統(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，其中有兩臺(tái)的額定容量為12．5MVA，正常每臺(tái)帶負(fù)荷5～6MVA，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1．8Mvar和1．2Mvar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

2．1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。

2．2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)為雙反星形接線，等效為六相接線，其產(chǎn)生的特征諧波為：

n＝kp±1k＝1，2……（1）

理論計(jì)算對(duì)于p＝6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)。

兩種接線方式接線如圖1所示。

2．3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）。

2．4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。

3．1治理整流設(shè)備

3．1．1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42．3％，存在的問題是變壓器繞組容量下降為額定容量的57．7％，實(shí)際上改后的容量可達(dá)到額定容量的60％～70％，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。

3．1．2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）。

3．1．3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。

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R－L－C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)測諧波電流再調(diào)整濾波器參數(shù)。

3．3濾波器設(shè)計(jì)

3．3．1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Xx＝0．5（Sj＝100MVA）。

n次諧波下的系統(tǒng)諧波阻抗為"

Xnx＝0．5n

（2）諧波源產(chǎn)生的諧波量

根據(jù)以往多次實(shí)測結(jié)果綜合確定，各套整流裝置的諧波電流見表1。

由于測量是隨機(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?/p>

3.3.2濾波方案確定

交流濾波器可以在濾除諧波的同時(shí),提供無功補(bǔ)償,即濾波器具有濾波和補(bǔ)償雙重作用,確定濾波器容量時(shí)道德根據(jù)無功補(bǔ)償需要確定一定電容量,根據(jù)測量結(jié)果化工廠目前政黨生產(chǎn)共需要10Mvar無功,計(jì)及其安裝的并聯(lián)電容器后共需要13Mvar無功,考慮到本廠目前實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)不到設(shè)計(jì)能力,因此每臺(tái)濾波裝置補(bǔ)償按6Mvar設(shè)計(jì),共需要12Mvar。

濾波器的總補(bǔ)償容量確定后，根據(jù)支路諧波電壓基本相等原則，確定低通濾波器各支路容量和高通濾波器容量。

設(shè)n次調(diào)諧濾波器掛在相電壓為UP的接線上，因?yàn)槭莕次調(diào)諧，所以有：

n次調(diào)諧濾波器的電容器兩端諧波電壓為：

為了使各次調(diào)諧濾波器的電容器諧波電壓基本一致，須使ωCn∝In／n代入（5）式得：

（8）式即為無功補(bǔ)償容量QC分配公式。

根據(jù)化工廠諧波次數(shù)及諧波電流計(jì)算各支路濾波容量

5次諧波電流65A；

7次諧波電流65A；

11次諧波電流30A；

13次諧波電流25＋20＝45A；

總的無功補(bǔ)償容量按6Mvar計(jì)算則

Q5＝13／28．8×6000＝2708kvar

取2700kvar

Q7＝9．3／28．8×6000＝1800kvar

取1800kvar

Q11＝3／28．8×6000＝625kvar

取600kvar

Q13＝3．5／28．8×6000＝729kvar

取900kvar

按上述分配結(jié)果確定的方案如圖2所示。

對(duì)于5、7、11次單通濾波器采用最佳品質(zhì)因數(shù)的方法求解其電阻值，一般品質(zhì)因數(shù)Q在30～60之間。

對(duì)于13次高通濾波器按最佳濾波效果計(jì)算其它參數(shù)。

上述參數(shù)作為初步方案，待治理整流設(shè)備后，根據(jù)那時(shí)的諧波電流情況再作調(diào)整和詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)計(jì)算。

3．4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·ωLn＝1／（nωCn），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；

Ln—n次濾波器等值電感；

Cn—n次濾波器等值電容

實(shí)際工作中，為防止發(fā)生并聯(lián)諧振，一般采取的措施是使nωLn略大于1／（nωCn）使回路對(duì)于n次諧波略呈感性，當(dāng)然這種措施是以降低濾波效果為代價(jià)，因此需要兼顧防止諧波放大和濾波效果，使其都在目標(biāo)值范圍內(nèi)。

同樣，對(duì)于n次單調(diào)諧濾波器還有與系統(tǒng)發(fā)生m次諧波串聯(lián)諧振的可能性，對(duì)于本項(xiàng)目而言基本不存在這種可能性，不再作討論。

4效益分析

經(jīng)過諧波治理，預(yù)計(jì)達(dá)到的效益為：

（1）諧波電壓和諧波電流等項(xiàng)電能指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，從而保證電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（2）電力設(shè)備損耗下降，噪音降低，減小絕緣老化程度，延長設(shè)備使用壽命。

（3）郝村站10．8Mvar電容器能夠正常投入使用，每年運(yùn)行7000h，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量按0．1，每kW·h按0．2元計(jì)算，每年可產(chǎn)生效益10800×7000×0．1×0．2＝151．2萬元。

（4）化工廠按12Mvar濾波裝置每年產(chǎn)生效益：12000×7000×0．1×0．2＝168萬元

（5）改造后使整流效率從0．92提高到0．98，按年耗電1×108kW·h計(jì)，可節(jié)約電能6×106kW·h合120萬元。諧波治理后，每年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)到440多萬元，是十分可觀和有益的。

5投資計(jì)算

（1）整流設(shè)備治理暫按15萬元計(jì)列；

（2）變壓器改造按15萬元計(jì)列；

（3）濾波裝置按80×12000元＝96萬元；

共計(jì)投資約126萬元。

6結(jié)論

經(jīng)過工程技術(shù)人員較長時(shí)間的測試和理論分析對(duì)滏陽化工廠的諧波情況和產(chǎn)生原因基本弄清，并提出相應(yīng)的治理方案。

6．1治理整流設(shè)備，消除非特征諧波。

6．2改進(jìn)變壓器接線，使其等效為12脈波整流裝置，消除含量較高的5、7次諧波電流。

6．3裝設(shè)濾波裝置，使注入系統(tǒng)的諧波電流在國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，使郝村站及所供其它負(fù)荷的電氣設(shè)備能夠安全可靠運(yùn)行。

通過上述綜合治理，力爭以較少的投資達(dá)到比較滿意的濾波效果。使電能質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，取得較好的社會(huì)效益和綜合經(jīng)濟(jì)效益。

3．2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）。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[