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谐波治理在某电缆厂的应用实例

2013-08-20 11:50:18 来源：安科瑞王海芹

    随着工业经济的迅猛发展，科学技术的不断进步，大量的直流设备、变频调速设备及其它非线性负荷被广泛应用，对供电系统电能质量要求越来越高。高次谐波的产生，增加了电能谐波损耗，降低了系统功率因数，不仅影响电网的质量，而且还很大程度的影响电网的可靠性，严重时造成继电保护误动，烧毁微机保护线路板、数字电能表及其它微机装置。
1、故障现象
    某电缆厂400V供电系统由两台欧式箱式变电站组成，两台箱变的接线方案一致，但其箱变出线所带负荷不一样。两台欧式箱式变电站投运不久，1号箱变就发生了无功补偿柜中元器件损坏的情况。损坏的元器件主要是电容接触器和熔断器，其中电容接触器烧毁严重。
    起初分析认为可能是电容接触器的桩头接线松动导致接触电阻增加，桩头接线发热起火烧坏电容器接触器，进而引起接触器上侧的熔断器烧毁，产生的火苗又损坏了熔断器。随后该公司即更换了烧坏的元器件，同时对所有的接线桩头进行了检查，无功补偿柜改进后继续投入运行。但是更改后的无功补偿柜使用不到一个月，再次出现了元器件损坏的情况。元器件损坏的位置、现象基本和上次的情况一样。
2、原因分析
    两次无功补偿柜的故障都发生在1号箱变而非2号箱变，对比分析1、2号箱式变电站的负荷可以发现，2号箱变的负载基本上为异步电动机和办公照明负载，相对负载较小；而1号箱变所带负载中除了异步电动机还有三台直流电动机，其功率分别为185kw、155kw、30kw。此外，还有大量通过可控硅控温的加热设备，相对2号箱变负载较大。
在两次无功补偿柜发生故障时，该厂的交联电缆生产线都在运转，也就是说直流电机和相当一部分的加热设备都挂在1号箱变的低压母线上。该厂的加热回路采用了三相半控桥式整流电路，同时用交流电源对直流电机供电少不了要有整流装置。由于整流装置输出波形的非正弦性，不同相数的整流电路会产生不同特征的谐波电流。如三相桥式的6相脉动整流电路产生的谐波电流主要为6k±1次(5、7、11、13次，等等)见表1。

表1  6相脉动整流装置电流谐波理论数据

谐波次数n	1	5	7	11	13	17	19	23	25
谐波电流/%	100	20	14.3	9.1	7.7	5.9	5.3	4.3	4

因此，交联电缆生产线在生产时可能对1号箱变400V系统产生了谐波。
根据对负荷性质分析和理论公式的推算，可以确定1号箱变400V系统中存在6k±1次为主的谐波电流。为了证实和明确1号箱变400V系统的谐波情况和参数，对1号、2号箱变进行了多次的对比测量。2号箱变总线电流波形和频谱图分析见图1，1 号箱变总线电流波形和频谱图分析见图2。

    对比分析图1和图2，2号箱变总线电流波形为规则正弦波，频谱图分析也表明其电流基本只含基波50Hz电流；1号箱变总线电流波形为非正弦波，频谱图分析可以看出含有3、5、7、11次等谐波。电流总畸变率THDi为52.32%，功率因数0.8，系统阻抗R = 0.1W L = 0.1mH，系统短路容量10MVA。
1号箱变的无功补偿柜之所以数次出现电容接触器和熔断器损坏的情况，其原因就是交联电缆生产线产生的谐波电流被无功补偿柜的电容器放大产生了过电流，致使接触器和熔断器过热损坏。
3 、谐波治理
    谐波电流不仅影响无功补偿柜的正常使用，致使无功功率电费支出增加，谐波污染越来越多地威胁到电力系统安全、稳定、经济运行，给同一网络的线性负载和其它用户带来了*影响。谐波已与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。所以了解谐波产生的原理、研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波、解决谐波产生的问题有着重要的指导作用。因此对谐波的测量和分析是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是继电保护、故障测量等工作开展的重要前提。
    在电力系统抑制和治理谐波的主要措施有：提高供电电压等级；加大系统短路容量；增加变流装置的脉动数；改善系统的运行方式，设置交流滤波器等都能减小系统中的谐波成分。
    对于该电缆厂，由于供电系统的方案已定型，我们可以考虑设置有源滤波器。设置APF的好处有：改善系统用电环境，提高用电质量；提高系统功率因数，减少无功发款，带来经济效益；改善三相系统负载电流的平衡，降低N线电流，提高系统稳定性。

3.1 有源滤波器的工作原理：
    ANAPF系列有源电力滤波装置，以并联方式接入电网，通过实时检测负载的谐波和无功分量，采用PWM变流技术，从变流器中产生一个和当前谐波分量和无功分量对应的反向分量并实时注入电力系统，从而实现谐波治理和无功补偿。
原理如下图：

图3 工作原理
ANAPF系列有源电力滤波装置主要技术特点：DSP+FPGA全数字控制方式，具有极快的响应时间；先进的主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；一机多能，既可补谐波，又可兼补无功；模块化设计，便于生产调试；便利的并联设计，方便扩容；具有完善的桥臂过流、保护功能；使用方便，易于操作和维护。

3.2 ANAPF技术参数：

接线方式	三相三线或三相四线
接入电压	3×380V ±10%
接入频率	50Hz ±2%
动态补偿响应时间	全响应时间＜20ms；
开关频率	10kHz
功能设置	只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；手动、自动切换。
谐波补偿次数	2-21次
保护类型	直流过压　IGBT过流　装置温度保护
过载保护	自动限流在设定值，不发生过载
冷却方式	智能风冷
噪音	＜ 65db(处于柜内并运作于额定状态)
工作环境温度	-10℃～+45℃
工作环境湿度	＜85%RH 不凝结
安装场合	室内安装
海拔高度	≤1000m（更高海拔需降容使用）
进出线方式	下进下出
防护等级	IP20
智能通信接口	外加模块
远程监控	可选

3.3 ANAPF有源滤波器报价及元件清单

型号：ANAPF100-400/B
参考价格：12万元/台
主要产品明细：
序号	名称	型号	数量
1	APF电气柜	800X600X2200	1
2	变流器	APFCOV-CVT100	1
3	控制器	APFMC-C100	1
4	电抗器	APF-RE.(S)DG-100	1
5	有源电流互感器	LT208-S7	3
6	滤波器	DL-1TH1	2
7	断路器	CVS160FTM160D4P3D	1
8	接触器	LC1D150M7C	1
9	微型断路器	NDM1-63C32	1
10	中间继电器	MY4NAC	2
11	R型变压器	R320-0.38/0.22	1
12	谐波检测仪	ACR350EGH	1
13	电线	16mm2	若干
14	电线	4mm2	若干

4 、治理效果
以下是补偿前后单相功率、5次谐波电流及7资金谐波电流对比图：


治理前单相功率波形图	治理后单相功率波形图

治理前5次谐波电流波形图	治理后5次谐波电流波形图

治理前7次谐波电流波形图	治理后7次谐波电流波形图

APF运行过程中，对以直流电机和三相桥式的6相脉动整流装置产生的谐波电流取得了很好的抑制效果，特别是消除了谐波含量较高的5、7次谐波电流。现在，设备运行良好，谐波危害得以有效控制。

参考文献：
[1]陈志业.尹华丽.电能质量及其治理新技术【J】.电网技术，2002（7).
[2]张浩.戴瑞珍.谐波抑制的工程设计方法探讨.电网技术，2002（6）.
[3]上海安科瑞电气股份有限公司产品手册.2013.01.版

《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》（图集号：ACR13CDX701）由安科瑞电气股份有限公司主编，该图集的编制得到了中国建筑学会电气分会副理事长、全国建筑电气情报网副理事长、上海建筑设计研究院电气总工陈众励专家的关心和支持。该图集适用于新建、改建、扩建和技改项目中工业与民用及公共建筑内电气设备的谐波抑制及综合治理的设计与改造。凡需要该图集的设计、使用、生产、安装与施工单位，可向安科瑞电气股份有限公司索取，请提供贵单位名称、部门、地址、邮编、联系人、联系电话、邮箱等信息，传真021-69158302、邮件acrelwhq@163.com或QQ2880157862至安科瑞王海芹工程师收，安科瑞电气可免费赠送《ANAPF有源电力滤波装置设计与应用图集》。

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