张庄矿高压大功率变频电机的高次谐波治理

刘建东 王 彪 韩晓辉 黄明杰

（安徽马钢张庄矿业有限责任公司）

近年来，随着我国经济的高速发展，节能降耗、减少碳排放的任务日趋艰巨，提高用电设备的效率已是大势所趋，高压大功率变频电机的应用越来越广泛。伴随高压大功率变频电机的大量应用，其产生的高次谐波危害也日益严重。

张庄矿生产所用大型主体设备电机也采用了高压大功率变频电机，使用过程中发现该类电机运行时产生的高次谐波使得矿山出现了10 kV配电系统中经常出现“综保误动作”、家属区电器经常坏等一系列问题。为解决这些问题，张庄矿通过系统分析及科学检测，运用计算机仿真系统进行仿真计算，确定合理的补偿方案［1-5]。

1 谐波及其危害

谐波对周期性交流信号量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量，称为特征谐波，特征谐波之外为非特征谐波。谐波主要产生于大容量整流、变频设备、电弧设备以及其他非线性负荷导致电流波形畸变，其直观表现为供电系统原本平滑的正弦波形变得高低不平。

谐波会影响供配电系统的稳定运行，供配电系统中的各种保护在谐波的干扰下极易产生误动或拒动，谐波严重威胁着供配电系统的稳定与安全。谐波会影响电网的质量，增加输电、变电和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和运行经济效益，浪费电网容量，并给企业增加额外的电能损耗。谐波会影响供电系统的无功补偿设备、电力变压器、异步电动机等用电设备的正常运行，降低设备寿命甚至引发事故。

2 谐波治理前的配电系统状况

张庄矿业110 kV变电站配电系统如图1所示，可以看到配电系统通过电力公司110 kV架空线路2回接入，通过2台容量为20 000 kVA、变比110/10的总降变压器分2段10 kV母线给整个矿山供电，10 kV系统短路容量为188.7 MVA。10 kVⅠ段母线通过1101高压开关进线，主要给选矿高压配电室、中细碎高压配电室、井下中央高压配电室、生活区高压配电室以及部分小容量负荷供电，配置有1路电容补偿装置；10 kVⅡ段母线通过1102高压开关进线，主要给选矿高压配电室、中细碎高压配电室、井下中央高压配电室、主井高压配电室以及部分小容量负荷供电，也配置有1路电容补偿装置。

谐波产生的原因为张庄矿配电系统二次侧负荷设备中配置有一定数量的变频器，变频器为典型的谐波源设备。通过对整个配电系统进行梳理分析发现，主井提升10 kV/5 400 kW的高压大功率变频电机，在运行过程产生了大量的高次谐波源源不断地注入10 kV母线系统后，对整个10 kV配电系统形成了较严重的谐波危害。在以往运行过程中，10 kV配电系统中经常出现“综保误动作”、工厂照明“LED灯电流过大而损坏”、家属区“电磁炉经常坏”等一系列问题，谐波严重影响着整个矿山配电系统的安全运行，高压大功率变频电机的谐波治理已经刻不容缓。

为解决谐波危害，张庄矿邀请了专业技术人员对全矿配电系统进行了详细的电能质量检测，发现10 kV母线电压谐波总畸变率达到11.74%，大幅超过国家标准（GB/T 14549—93）所规定限值4%的要求，同时还发现导致10 kV母线电压谐波总畸变率严重超标的主要原因是5 400 kW的高压大功率变频电机所产生的23～50次的高次谐波。经过研究，确定在5 400 kW的高压大功率变频电机的10 kV母线上安装1套10 kV专用型高次谐波治理装置（主要滤除23～50次高次谐波），彻底解决高次谐波对各级配电系统及负载设备造成的干扰危害，保障整个配电系统的安全稳定运行，减少无用电能消耗节能降耗。

3 张庄矿10 kV高次谐波滤波器设计

3.1 高次谐波滤波器方案设计及仿真分析

3.1.1 基波补偿容量及安装容量的确定

通过现场检测的谐波数据和无功数据分析，经过计算机滤波器设计软件的计算和系统仿真，得到10 kV高次谐波滤波装置的安装容量为6 000 kvar，基波补偿容量为3 000 kvar，在满足滤波要求的同时，不会造成过补。本滤波装置主要吸收23～50次谐波电流，降低10 kV母线谐波电压。10 kV高次谐波滤波装置的构成为高通滤波支路，为防止5次、7次、11次谐波的大幅放大，同时设置了1路5次滤波器、1路7次滤波器、1路11次滤波器。由于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，电网频率会有一定的波动，这将导致滤波器失谐。设计时保证在正常波动情况下10 kV高次谐波滤波装置仍能满足各项要求。

滤波装置设计如图2所示。

3.1.2 计算机仿真数据

10 kV高次谐波滤波装置各滤波支路计算机设计软件计算数据如表1所示。

10 kV高次谐波滤波装置投入前后电压谐波总畸变率计算数据如表2所示。

经计算机滤波器设计软件仿真分析得到的以上数据表明，10 kV高次谐波滤波装置投入后，10 kV系统不会发生特征谐波的有害放大。投入滤波器后电压总谐波畸变率由原来的11.74%降低为2.12%，远小于4%的国家标准限值要求。

3.2 设备选型及安装

根据仿真结果及设计方案张庄矿购买了一套MWT-TBB型谐波滤除装置，系统每相回路由滤波电容与滤波电抗串联，三相由3个单相接成Y型，中性点绝缘，含开口电压检测保护、电流保护（在电容器出线柜上）。装置设计有自动控制系统，可根据系统无功需求自动或手动投切。该装置滤波补偿功能能阶梯跟踪补偿负载无功功率的变化，23次谐波电流吸收率达到70%以上。根据方案安装地点靠近10 kV母线，将装置安装在10 kV/5 400 kW的高压大功率变频电机的10 kV母线上并投入运行。

4 装置运用效果

10 kV高次谐波滤波装置投入运行后，通过专业设备对10 kV进线开关（PCC点）现场谐波检测，对比装置投入前10 kV/5 400 kW高压变频电机的现场谐波检测报告可以发现，高压自动滤波无功补偿成套装置投入运行后，电网的电能质量得到了极大的改善，电压谐波总畸变率在2%附近，达到了国家标准（GB/T 14549—93）所规定的限值4%的要求，现场由于谐波带来的系列问题也得到了解决。

5 结语

（1）结合现场情况以计算机滤波器设计软件计算得出的数据为依据，选定的相应参数的MWT-TBB型谐波滤除装置对现场高压大功率变频电机运行时的谐波能进行有效治理；通过现场实测数据的对比，装置投入运行后，10 kV母线电压谐波总畸变率由原来的11.74%降低到1.87%。

（2）谐波治理对于电网平稳运行，降低设备故障有良好效果。10 kV高次谐波滤波装置自投入运行以来，矿山各种工业电气设备和家用电器设备都工作正常，10 kV配电系统中再也没有出现过“综保误动作”的现象。

（3）由于投入的设备具有一定的节能效果，通过无功补偿提高了功率因数，全年节电效益明显，可取得相当的社会效益和经济效益。