加工制造场所的谐波治理

蒋 佃 刚

(中国建筑设计研究院, 北京 100044)

加工制造场所的谐波治理

蒋 佃 刚

(中国建筑设计研究院, 北京 100044)

检测了某加工制造场所非线性负载的电能质量数据,分析了谐波的典型特征。理论对比了无源和有源滤波两种谐波治理方案,采用并联有源电力滤波器进行了谐波治理。结果表明,有源滤波系统消除了谐波干扰,无功补偿可以顺利投切,且提高了功率因数。

电能质量; 谐波; 有源电力滤波器; 功率因数

0 引 言

随着科学技术水平的提高,现代化加工制造生产线上使用了大量的先进电力电子设备。这些非线性负载(谐波源)工作时会产生大量的谐波,严重污染配电网的电能质量,严重时甚至造成停电,影响生产。

本文基于某加工制造场所,采用并联型有源电力滤波器进行谐波治理,治理效果完全符合国家标准。

1 现场情况

某合金加工制造厂的加工制造配电所共有2台变压器,生产线使用中频炉等大型非线性负荷,在使用过程中出现以下情况:

(1) ICP高端分析仪损坏,出现瞬时掉电现象。

(2) 无功补偿柜中的电容器组不能投入,易烧毁。

(3) 断路器噪声大,母排、线缆发热明显。

(4) 变压器负荷率很高。

针对这一情况,厂方请专业人员进行了电能质量的检测,发现中频炉85%谐波含量以上为低次谐波,谐波能量大大超出用电设备的承受范围。

2 检测数据

根据现场负载类型,测试了主要负载馈线端和变压器进线柜的电能质量数据。检测位置示意图如图1所示。

图1 检测位置示意图

中频炉馈线波形图如图2所示。由图2可见,中频炉基波电流大小为280 A,畸变率为27.1%,主要为5、7次谐波。

变频器进线柜数据如图3所示。由图3可见,变压器进线柜基波电流为1 550 A,总畸变率为15.2%,5、7次谐波畸变率分别为13.4%、6.2%。

图2 中频炉馈线波形图

由以上分析,可得出如下结论:

(1) 中频炉负荷的谐波量很大,波形畸变严重,畸变率高达27.1%,主要为5、7次谐波。

(2) 变压器进线柜汇集了非线性负荷的电流,波形削顶畸变严重呈方波,总畸变率达到15.2%,基波电流达1 550 A,则变压器进线谐波电流为1 550×15.2%=235.6 A。

(3) 变压器的视在功率高,大部分为无功功率,使用效率低下,实际运行温度较高,运行环境恶劣。

图3 变频器进线柜数据

3 治理方案及效果分析

GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》规定,电压0.38 kV等级允许值为5%,奇次、偶次谐波电压含有率分别为4%、2%。

在保留现有电容柜的情况下,治理后注入电网公共连接点的谐波电流分量(方均根值)不应超过表1中规定的允许值。

3.1 治理方案

从治理谐波的角度考虑,可以选择无源和有源滤波两种谐波治理方案。

无源滤波设备除了起滤波作用外,还兼做无功补偿。无源滤波方式成本相对较低,但有以下一些缺陷:

(1) 对于功率因数较高(>0.9)的用电设备,电容组数大多会出现无功倒送,方案设计较难,一般只能对起主要作用的5、7次谐波采取分流或滤波。

表1 谐波电流允许值

(2) 电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能。单调谐滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变,电网频率也会有一定波动,导致滤波器失谐;电网阻抗变化会对滤波装置,尤其是单调谐滤波器的滤波效果有较大影响。

(3) 有效材料消耗多,体积大。

(4) 只能消除待定的谐波,对某些谐波会产生放大作用。

从该合金加工厂项目的负荷检测情况分析,中频炉属于变化较快、冲击性较大的非线性负荷,主要是5、7次谐波随着不同的工作状态在快速变动。因此,经综合考虑,采用有源滤波的方式。

有源滤波系统不但可达到正常情况时的滤波效果,还能对其他情况进行防治。

图1所示支护建议图适用于一般情况，并没有对支护类型进行明确的区分，而是基于连续的变化。支护图给出了相应于支护形式所采用的锚杆中心对中心间距和喷混凝土厚度。标注了钢纤维喷混凝土的能量吸收，以及锚杆长度和钢支撑加固的喷混凝土设计。对于特殊情况，可适当增加相应的支护形式和支护结构数量。钢纤维的参量设计及其力学性能国内亦有诸多研究[8-9]，可与Q系统能量吸收参照。

有源滤波系统且有以下几点优势:

(1) 治理谐波的同时,抑制闪变,补偿无功。

(2) 滤波特性不受系统阻抗的影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。

(3) 具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化谐波,即具有高度可控性和快速响应性等特点。

(4) 谐波目标存留含量可能低于3%。

(5) 可在功率因数接近于1、无法进一步安装无功功率器件的情况下使用。

根据现场测试的数据和机房配电的数据统计,负荷在测试时约为70%,考虑高峰时负荷的大电流,配置2台有源电力滤波器进行治理,容量选择为300 A,安装在1#、2#变压器低压侧。

3.2 治理后分析

治理后变压器进线柜数据如图4所示。

图4 治理后变压器进线柜数据

由图4可见,谐波治理后,有源滤波系统消除了谐波干扰,无功补偿柜可以顺利投切,功率因数提高到0.95以上;电流波形显示为相对完整的正弦波,总畸变率由最初的29.5%降至0.9%;对低次谐波抑制作用明显,保护了电容柜的安全投运。

经过现场的长期观察及记录,ICP精密分析仪电源运行稳定,合金测试频谱准确,消除了控制系统的误动作,保证了油机的高效率运行,并节省了维护成本。

4 结 语

现代化的加工制造业中非线性负荷会给企业带来较大的损失。本文分析了某合金加工制造厂的谐波治理方案,采用的有滤波系统消除了谐波干扰,给企业带来经济效益,同时也符合国家对节能减排的要求。

[1] 姜文龙.电力系统谐波及其抑制方法的研究[D].济南:山东大学,2013.

[2] 甄晓晨.面向用户的电能质量经济性评估方法研究[D].保定:华北电力大学,2013.

[3] 黄玉华.通信枢纽机房电力系统谐波治理与价值分析[J].电源世界,2013(3):27-30.

[4] 杨继深.消除谐波电流与节电的关系[J].电器工业,2013(2):72-75.

[5] 孙亮,张琦俊.密炼机供电系统的谐波治理措施[J].电气技术,2012(4):83-85.

[6] 张立民.谐波治理设备在智能建筑业的销售策略研究[D].保定:华北电力大学,2013.

[7] 罗安,吴传平,彭双剑.谐波治理技术现状及其发展[J].大功率变流技术,2011(6):5-9.

[8] 王群,姚为正,刘进军,等.谐波源与有源电力滤波器的补偿特性[J].中国电机工程学报,2001,21(2):16-20.

Harmonic Suppression of Processing and Manufacturing Place

JIANGDiangang

(China Architecture Design & Research Group, Beijing 100044, China)

Based on an example of typical nonlinear processing manufacturing place,this paper detected the power quality data of nonlinear load and analyzed the typical characteristics of the harmonic. The passive and active filtering schemes were compared. The parallel active power filter was used to control the harmonic. The results show that the harmonic interference is eliminate and the reactive compensation is switched smoothly,which improves the power factor.

power quality; harmonic; active power filter; power factor

蒋佃刚(1977—),男,高级工程师,从事建筑电气设计工作。

TN 713

A

1674-8417(2015)07-0062-04

2015-06-26