化工厂谐波治理案例
1．前言
随着电力电子装置的广泛应用，电网中的谐波污染也日益严重。许多电力电子装置的功率因数很低，也给电网带来额外负担并影响供电质量。可见消除谐波污染并提高功率因数已成为电力电子技术中的一个重要的研究领域。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条：
（1）装设KYLB滤波补偿装置，以滤除谐波和补偿无功功率；
（2）对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行控制。
某化工公司供电系统在高压侧主要由同步机调整功率因数，在35KVⅠ、Ⅱ段功率因数分别为0.98和0.91（同步机的分配限制），不能提高主变下面所带配电变压器的利用率、同时不能降低变压器及线路上的损耗，当前供电系统运行状况存在以下主要问题：
（1）电机类负载功率因数低，使配电变压器使用效率下降，整个系统效率下降，无功造成的有功损耗增加，配电线路额外发热、线损增加；
（2）由电流谐波造成的电压波形畸变，会影响企业内各种用电设备的运行质量与可靠性，并导致配电变压器铁损和杂散损耗增加，电机类负载效率下降；
（3）高次谐波电流导致视在功率显著增加，功率因数降低，配电变压器负荷加重、损耗增加，并可能发生局部过热问题，配电线路额外发热、线损增加。
2．供用电负荷与供电系统电能质量分析
2.1供用电设备特性分析
生产线主要使用的是交流电机类负载、水泵及部分变频负载，低压侧整体功率因数较低，变频负载较多的地方谐波电流比较大。
2.2供电系统电能质量分析
针对各配电变压器的具体使用情况，选取具有代表性负载重点测试了几个变压器，从测试数据分析如下：
2.2。1供电电系统主要参数
配电变压器规格：1600KVA，10／0.4KV
负载类型：电机类负载，其中包括380KW的变频器两台
测试地点：6＃变压器低压出线
表1
|
6＃变压器出线 |
|||||
|
电压 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
|
|
相电压VRMS |
232.6 |
232.7 |
233.6 |
||
|
平均线电压VRMS |
403.5 |
||||
|
谐波含量THDF％ |
总量 |
2.2 |
2.1 |
2.2 |
|
|
3次 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
||
|
5次 |
1.4 |
1.4 |
1.4 |
||
|
7次 |
1.0 |
1.0 |
1.0 |
||
|
11次 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
||
|
13次 |
0.6 |
0.6 |
0.6 |
||
|
17次 |
0.4 |
0.4 |
0.4 |
||
|
19次 |
0.4 |
0.5 |
0.5 |
||
|
23次 |
0.6 |
0.5 |
0.5 |
||
|
25次 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
||
|
29次 |
0.5 |
0.4 |
0.4 |
||
|
31次 |
0.6 |
0.2 |
0.6 |
||
|
35次 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
||
|
电流 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
|
|
相电流ARMS |
1422 |
1456 |
1431 |
||
|
谐波含量THDF％ |
总量 |
13.5 |
13.8 |
13.9 |
|
|
3次 |
0.9 |
0.9 |
1.0 |
||
|
5次 |
11.4 |
11.7 |
11.8 |
||
|
7次 |
5.6 |
5.7 |
5.7 |
||
|
11次 |
1.8 |
1.7 |
1.8 |
||
|
13次 |
1.7 |
1.8 |
1.8 |
||
|
17次 |
1.1 |
1.0 |
1.1 |
||
|
19次 |
0.9 |
1.1 |
1.1 |
||
|
23次 |
0.8 |
0.8 |
0.8 |
||
|
25次 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
||
|
29次 |
0.7 |
0.6 |
0.6 |
||
|
31次 |
0.4 |
0.4 |
0.4 |
||
|
35次 |
0.2 |
0.3 |
0.2 |
||
|
谐波电流值ARMS |
190.2 |
199.0 |
197.0 |
||
|
功率 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
|
|
有功功率KW |
276.8 |
283.0 |
274.5 |
||
|
视在功率KVA |
329.7 |
337.1 |
332.8 |
||
|
无功功率KVAR |
179.1 |
183.0 |
188.1 |
||
|
功率因数 |
PF |
0.84 |
0.84 |
0.82 |
|
|
COSφ |
0.85 |
0.85 |
0.84 |
||
2.3数据分析
6＃变压器：由于有一部分变频器和冲击性负载，电流对称性不好，电流波形畸变严重，相对谐波含量13.9％左右，主要以5次、7次为主，谐波电流值为190A左右；运行功率因数在0.87左右，主要是电流滞后电压和电流谐波造成的，三相不平衡较小，电流整体波动较大。
从实际测试情况可以看出，整个配电网络低压侧功率因数低，同时由于6＃变压器带有380KW的变频器负载，所以该变压器电流谐波比较严重，导致变压器自身和线路损耗较大，同时使电压发生畸变，会对其他变压器的稳定运行带来一定的影响。
从高压侧用同步机进行调整，对我们这样的高耗能企业来说，这样只能使高压侧的功率因数得到一定的提高，不能对企业带来节能和**方面的好处，若从负载侧进行补偿，能够从根本上提高功率因数，使变压器的利用率提高，增加变压器的带载能力，同时能够减少谐波和无功在线路和变压器上的损耗。
3．采用的滤波补偿方案与设备：
根据以上分析和现场实际情况，上海坤友电气有限公司采用KYLB滤波补偿装置，对供电系统低压侧进行无功补偿和谐波治理。
该设备由系统控制器、驱动模块，电容器专用交流接触器构成的投切执行器和调谐电容器组四大部分构成。系统控制器通过电压、电流传感器实时检测系统电压和电流的瞬时值，并实时计算出电压与电流有效值、谐波含量和系统所需无功功率等控制参量，按预设控制策略完成逻辑判断，并发出相应的控制指令，通过驱动模块控制投切执行器投切调谐电容器组，实现对负载无功功率的动态跟踪补偿和谐波滤除。
表2KYBL自动跟踪消谐无功补偿柜主要技术指标
|
项目 |
指标 |
|
额定工作电压 |
三相400V＋10％－15％ |
|
额定工作频率 |
50HZ±2％ |
|
标称基波补偿容量 |
480KVAR |
|
实际基波补偿容量 |
340KVAR |
|
额定谐波补偿容量 |
240KVAR |
|
谐波滤除比例 |
≥55（100％投入） |
|
目标功率因数 |
0.9～0.99（可设定） |
|
响应时间 |
0.1－30S可编程 |
|
有功损耗 |
《1％补偿容量 |
|
音频噪声 |
≤55DB |
|
保护功能 |
电压异常保护；电流异常保护；系统故障保护；系统过热保护 |
|
外形尺寸 |
1000×1000×2200MM（标准MNS柜） |
|
储存温度 |
－40～55℃ |
|
工作环境温度 |
－10～40℃ |
|
相对湿度 |
≤85％，不结露 |
|
海拔高度 |
≤2000M |
|
执行标准 |
GB／T15576－1995，GB／T12747－2004 |
3.1．2针对化工厂负荷的具体情况，同时考虑到目前生产的实际情况，按照正常工作情况的功率在现在实测情况下乘以1.1倍的系数，对测试的变压器进行试点治理，配置自动跟踪KYLB滤波补偿装置如下。
表3配置自动跟踪无功滤波补偿柜
|
设备型号 |
数量（台） |
安装位置 |
|
KYLB－0.4 |
1 |
6＃变压器出线端 |
4．预期滤波补偿目标
4.1根据负荷特征，预期补偿效果
（1）配电变压器0.4KV总出线综合功率因数COSØ：≥0.95
（2）0.4KV母排电流谐波含量THDI：电流谐波滤除率：≥70％
4.2谐波治理与无功补偿效益分析
（1）节省企业电费开支。
（2）提高设备的利用率。通过谐波治理和无功补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量。
①降低变压器的铁损、铜损和杂散损耗，降低系统的能耗。
②通过谐波治理，提高电网质量，减少高次谐波对电气设备的冲击，净化电网，减少变电所的噪声污染。
③降低电动机的铁损和震动，延长电气设备的使用寿命。
④降低电气设备误动和拒动的可能性，提高电气设备的可靠性。
5．投运后运行效果
表4投入滤波设备后，在6＃变压器10KV进线测量滤波补偿效果
|
测量点 |
电压（KV） |
电流（A） |
有功功率（KW） |
无功功率（KVAR） |
功率因数 |
||||
|
小 |
平均 |
大 |
小 |
平均 |
大 |
||||
|
总进线 |
10.73 |
49.82 |
466 |
730 |
929 |
105 |
116 |
198 |
0.96 |
表5总进线的谐波电压测量结果
|
基波电压 |
A相畸变率 |
B相畸变率 |
C相畸变率 |
|
10.71KV |
3.4％ |
3.6％ |
3.5％ |
表6总进线的谐波电流测量结果（I1＝49.82A）
|
谐波次数 |
2 |
3 |
|
5 |
7 |
9 |
11 |
13 |
17 |
9 |
|
谐波电流（A） |
0 |
3.2 |
0 |
6.4 |
3.4 |
0 |
2.3 |
1.7 |
0 |
0 |
|
谐波电流（A） |
－ |
4.5 |
－ |
20.8 |
11.1 |
－ |
5.7 |
3.9 |
－ |
－ |
从测量结果看，本套KYLB滤波补偿装置的滤波效果大于70％，满足国标和技术协议的规定。
6．结论
该变压器安装KYLB滤波补偿装置后，通过测量分析，有如下结论：
（1）滤波效果满足国标GB／T14549－93的有关规定。
（2）提高了系统的功率因数，使功率因数从0.85提高到0.95以上，节能效果显著。
（3）该套装置运行稳定，满足设计要求。
