化工廠諧波治理案例
1．前言
隨著電力電子裝置的廣泛應用，電網中的諧波汙染也日益嚴重。許多電力電子裝置的功率因數很低，也給電網帶來額外負擔並影響供電質量。可見消除諧波汙染並提高功率因數已成為電力電子技術中的一個重要的研究領域。解決電力電子裝置的諧波汙染和低功率因數問題的基本思路有兩條：
（1）裝設KYLB濾波補償裝置，以濾除諧波和補償無功功率；
（2）對電力電子裝置本身進行改進，使其不產生諧波，且不消耗無功功率，或根據需要對其功率因數進行控製。
某化工公司供電係統在高壓側主要由同步機調整功率因數，在35KVⅠ、Ⅱ段功率因數分彆為0.98和0.91（同步機的分配限製），不能提高主變下麵所帶配電變壓器的利用率、同時不能降低變壓器及線路上的損耗，當前供電係統運行狀況存在以下主要問題：
（1）電機類負載功率因數低，使配電變壓器使用效率下降，整個係統效率下降，無功造成的有功損耗增加，配電線路額外發熱、線損增加；
（2）由電流諧波造成的電壓波形畸變，會影響企業內各種用電設備的運行質量與可靠性，並導致配電變壓器鐵損和雜散損耗增加，電機類負載效率下降；
（3）高次諧波電流導致視在功率顯著增加，功率因數降低，配電變壓器負荷加重、損耗增加，並可能發生局部過熱問題，配電線路額外發熱、線損增加。
2．供用電負荷與供電係統電能質量分析
2.1供用電設備特性分析
生產線主要使用的是交流電機類負載、水泵及部分變頻負載，低壓側整體功率因數較低，變頻負載較多的地方諧波電流比較大。
2.2供電係統電能質量分析
針對各配電變壓器的具體使用情況，選取具有代表性負載重點測試了幾個變壓器，從測試數據分析如下：
2.2。1供電電係統主要參數
配電變壓器規格：1600KVA，10／0.4KV
負載類型：電機類負載，其中包括380KW的變頻器兩台
測試地點：6＃變壓器低壓出線
表1
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6＃變壓器出線 |
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|
電壓 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
|
|
相電壓VRMS |
232.6 |
232.7 |
233.6 |
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|
平均線電壓VRMS |
403.5 |
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|
諧波含量THDF％ |
總量 |
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 |
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|
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 |
||
|
電流 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
|
|
相電流ARMS |
1422 |
1456 |
1431 |
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|
諧波含量THDF％ |
總量 |
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 |
||
|
諧波電流值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 |
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|
視在功率KVA |
329.7 |
337.1 |
332.8 |
||
|
無功功率KVAR |
179.1 |
183.0 |
188.1 |
||
|
功率因數 |
PF |
0.84 |
0.84 |
0.82 |
|
|
COSφ |
0.85 |
0.85 |
0.84 |
||
2.3數據分析
6＃變壓器：由於有一部分變頻器和衝擊性負載，電流對稱性不好，電流波形畸變嚴重，相對諧波含量13.9％左右，主要以5次、7次為主，諧波電流值為190A左右；運行功率因數在0.87左右，主要是電流滯後電壓和電流諧波造成的，三相不平衡較小，電流整體波動較大。
從實際測試情況可以看出，整個配電網絡低壓側功率因數低，同時由於6＃變壓器帶有380KW的變頻器負載，所以該變壓器電流諧波比較嚴重，導致變壓器自身和線路損耗較大，同時使電壓發生畸變，會對其他變壓器的穩定運行帶來一定的影響。
從高壓側用同步機進行調整，對我們這樣的高耗能企業來說，這樣隻能使高壓側的功率因數得到一定的提高，不能對企業帶來節能和**方麵的好處，若從負載側進行補償，能夠從根本上提高功率因數，使變壓器的利用率提高，增加變壓器的帶載能力，同時能夠減少諧波和無功在線路和變壓器上的損耗。
3．采用的濾波補償方案與設備：
根據以上分析和現場實際情況，上海坤友電氣有限公司采用KYLB濾波補償裝置，對供電係統低壓側進行無功補償和諧波治理。
該設備由係統控製器、驅動模塊，電容器專用交流接觸器構成的投切執行器和調諧電容器組四大部分構成。係統控製器通過電壓、電流傳感器實時檢測係統電壓和電流的瞬時值，並實時計算出電壓與電流有效值、諧波含量和係統所需無功功率等控製參量，按預設控製策略完成邏輯判斷，並發出相應的控製指令，通過驅動模塊控製投切執行器投切調諧電容器組，實現對負載無功功率的動態跟蹤補償和諧波濾除。
表2KYBL自動跟蹤消諧無功補償櫃主要技術指標
|
項目 |
指標 |
|
額定工作電壓 |
三相400V＋10％－15％ |
|
額定工作頻率 |
50HZ±2％ |
|
標稱基波補償容量 |
480KVAR |
|
實際基波補償容量 |
340KVAR |
|
額定諧波補償容量 |
240KVAR |
|
諧波濾除比例 |
≥55（100％投入） |
|
目標功率因數 |
0.9～0.99（可設定） |
|
響應時間 |
0.1－30S可編程 |
|
有功損耗 |
《1％補償容量 |
|
音頻噪聲 |
≤55DB |
|
保護功能 |
電壓異常保護；電流異常保護；係統故障保護；係統過熱保護 |
|
外形尺寸 |
1000×1000×2200MM（標準MNS櫃） |
|
儲存溫度 |
－40～55℃ |
|
工作環境溫度 |
－10～40℃ |
|
相對濕度 |
≤85％，不結露 |
|
海拔高度 |
≤2000M |
|
執行標準 |
GB／T15576－1995，GB／T12747－2004 |
3.1．2針對化工廠負荷的具體情況，同時考慮到目前生產的實際情況，按照正常工作情況的功率在現在實測情況下乘以1.1倍的係數，對測試的變壓器進行試點治理，配置自動跟蹤KYLB濾波補償裝置如下。
表3配置自動跟蹤無功濾波補償櫃
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設備型號 |
數量（台） |
安裝位置 |
|
KYLB－0.4 |
1 |
6＃變壓器出線端 |
4．預期濾波補償目標
4.1根據負荷特征，預期補償效果
（1）配電變壓器0.4KV總出線綜合功率因數COSØ：≥0.95
（2）0.4KV母排電流諧波含量THDI：電流諧波濾除率：≥70％
4.2諧波治理與無功補償效益分析
（1）節省企業電費開支。
（2）提高設備的利用率。通過諧波治理和無功補償後，由於電流的下降，功率因數的提高，從而增加了變壓器的容量。
①降低變壓器的鐵損、銅損和雜散損耗，降低係統的能耗。
②通過諧波治理，提高電網質量，減少高次諧波對電氣設備的衝擊，淨化電網，減少變電所的噪聲汙染。
③降低電動機的鐵損和震動，延長電氣設備的使用壽命。
④降低電氣設備誤動和拒動的可能性，提高電氣設備的可靠性。
5．投運後運行效果
表4投入濾波設備後，在6＃變壓器10KV進線測量濾波補償效果
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測量點 |
電壓（KV） |
電流（A） |
有功功率（KW） |
無功功率（KVAR） |
功率因數 |
||||
|
小 |
平均 |
大 |
小 |
平均 |
大 |
||||
|
總進線 |
10.73 |
49.82 |
466 |
730 |
929 |
105 |
116 |
198 |
0.96 |
表5總進線的諧波電壓測量結果
|
基波電壓 |
A相畸變率 |
B相畸變率 |
C相畸變率 |
|
10.71KV |
3.4％ |
3.6％ |
3.5％ |
表6總進線的諧波電流測量結果（I1＝49.82A）
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諧波次數 |
2 |
3 |
|
5 |
7 |
9 |
11 |
13 |
17 |
9 |
|
諧波電流（A） |
0 |
3.2 |
0 |
6.4 |
3.4 |
0 |
2.3 |
1.7 |
0 |
0 |
|
諧波電流（A） |
－ |
4.5 |
－ |
20.8 |
11.1 |
－ |
5.7 |
3.9 |
－ |
－ |
從測量結果看，本套KYLB濾波補償裝置的濾波效果大於70％，滿足國標和技術協議的規定。
6．結論
該變壓器安裝KYLB濾波補償裝置後，通過測量分析，有如下結論：
（1）濾波效果滿足國標GB／T14549－93的有關規定。
（2）提高了係統的功率因數，使功率因數從0.85提高到0.95以上，節能效果顯著。
（3）該套裝置運行穩定，滿足設計要求。
