氰化车间电能质量问题分析与治理

陈 杰 刘建业 杨 军

（山东华天电气有限公司）

0 引言

氰化车间负载属于电压型谐波源，其自身的工作特性造成日益严重的谐波污染，波形畸变严重，大量的谐波严重影响电网的电能质量。

1 背景需求

某氰化车间工况如下：工作电流在2300A 左右；功率因数在0.9 左右；谐波电压畸变率为8.9%，已超国标最高限值5.0%；5 次谐波电流绝对值为338.7A；7 次谐波电流绝对值为118.1A。5 次、7 次谐波为特征次谐波，谐波次数越高，谐波相对值越小。现场电压波形畸变严重，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、充放电机变压器铁损和杂散损耗增加，电机类负载效率下降；大量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、损耗显著增加，并可能发生局部过热问题，配电线路额外发热、线损增加。

图1和图2是氰化车间未投入滤波设备时测试数据。

图1 电流波形与幅值

图2 电流谐波（15.2%）

2 电压型谐波源介绍

谐波源分为电流型谐波源和电压型谐波源。直流侧含有滤波电容的整流电路的非线性负载，如发电机、变频器等谐波源具有电压源的特性，属于电压型谐波源，如图3 所示。

图3 电压型谐波源原理图

直流侧为电流滤波的整流器，其直流侧电压Uc基本为恒值。此类谐波源产生的谐波电压主要由直流侧本身的特性决定，基本与交流侧参数无关，有类似电压源的性质，可以用一个理想谐波电压源与一个等效阻抗串联等效。如图1 所示，滤波电容C越大，等效阻抗就越小，谐波源特性就越接近理想谐波电压源。当C足够大时，则可以看成理想谐波电压源。因此，直流侧是电容滤波的整流器可以看成电压型谐波源。图4 为电压型谐波源等效原理图。

图4 电压型谐波源等效原理图

3 无源滤波器的结构形式及特性

有源滤波器和无源滤波器是目前电网谐波抑制的主要手段。有源滤波器是一种可以动态滤除谐波、补偿无功的电力电子装置。无源滤波器是将来自谐波源的谐波分量与电源系统阻抗分流。虽然有源滤波器相对于无源滤波器性能更优越，但由于成本及可靠性问题，在工程上多数还是采用无源滤波器的方式。

无源滤波器由滤波电容器、滤波电抗器组合而成，通常由若干个相同或者不同类型的滤波通道组成，每个滤波通道在某一谐波频率附近呈低阻抗特性，利于谐波电流吸收，使流入电网的谐波电流减小，从而达到谐波治理的目的。无源滤波器在基波状态下，通常呈容性，因此除具有滤波作用外，还具有无功补偿的功能。无源滤波器分为单调谐滤波器、高通滤波器和双调谐滤波器等几种，以单调谐滤波器为主。

在实际应用中，无源滤波器的谐振频率不会设计在谐振点上。例如，5 次无源滤波器的谐振点不会设计在250Hz，因为极小的5 次谐波电压会在趋近于0的回路产生极大的5 次谐波电流。因此，5 次无源滤波器的谐振点通常设计小于250Hz。图5 为无源滤波器结构原理图。

图5 无源滤波器结构原理图

4 电压型谐波源负载特性

无源滤波器未投入时，电压型谐波源负载等效特性如图6 所示。

图6 设备投入前负载侧谐波电流通路

由图6可得，无源滤波器投入前负载谐波电流为：

无源滤波器投入后，电压型谐波源负载等效特性如图7 所示。

图7 设备投入后负载侧谐波电流通路

由图5可得，无源滤波器投入后负载谐波电流为：

由式（1）和式（2）可以得出，补偿设备投入后，负载侧谐波电流变大了。

假设补偿前源侧谐波电流为Ish，补偿后源侧谐波电流为Ish’，如图8 所示。

图8 设备投入前后源侧谐波电流通路

由图8 可得，补偿前源侧谐波电流：

补偿后源侧谐波电流：

由式（4）可以得出：

由式（3）和式（5）可以得出，补偿设备投入后源侧谐波电流会较补偿前减小。

假设谐波滤除率为k%，补偿前后滤除率对比：

由式（3）、式（4）和式（6）可以得出：

由式（7）可以得出，补偿谐波电流为：

由式（8）可以得出，补偿谐波电流大小与负载所串电抗成反比，因此负载串联电抗器能有效降低所需补偿的谐波电流（若Zlh很小，不串联电抗器，想要达到理想的滤除率需要的补偿电流很大）；滤除率越高，补偿的谐波电流越大。因此，现场安装无源滤波器需综合考虑各方面因素，并不是谐波滤除率越大越好。

5 装置现场应用测试

通过对氰化车间现场测试数据分析，为解决现场谐波放大及功率因数要求，加装一台无源滤波补偿设备。5 次、7 次谐波为负载特征次谐波，谐波次数越高，谐波相对值越小。为防止滤除7 次谐波的同时放大5 次谐波，设计了以5 次单调谐滤波器方案，滤除系统特征次谐波。

由补偿装置运行前后测试数据可以看出，无源滤波器投入运行后电压电流波形明显改善；功率因数由0.88 提高到1.00；谐波电压畸变率由7.3%下降到3.5%；谐波电流畸变率由16.6%下降到7.7%；视在电流下降约为350A，5 次特征次电流谐波含量明显降低，由15.5%下降到6.0%；并且对7 次等高次谐波电流有一定的滤除效果。

无源滤波器在氰化车间投入运行后，治理效果非常明显，降低了电网中的电压谐波和电流谐波含量，提高了功率因数，使得整个配电系统电能质量得到大幅提升，用电环境得到改善，减少了用户的电费支出，并保证了用电设备的可靠运行，达到了预期效果。装置应用前后测试数据对比具体如下所示。

5.1 现场测试数据对比—波形

如图9 所示。

5.2 现场测试数据对比—谐波

如图10 所示。

图10 谐波对比

5.3 现场测试数据对比—功率因数

如图11 所示。

图11 功率因数对比

6 结束语

无源电力滤波器在氰化车间投入后，运行稳定，治理效果明显。降低了电网中的电压谐波和电流谐波含量，提高了功率因数，使得整个配电系统电能质量得到大幅提升，用电环境得到改善，减少了用户的电费支出，达到了良好的效果。

无源电力滤波器同时兼顾了无功补偿、电网调压及谐波滤除的功能，并且其造价低，性能可靠，在吸收特征次谐波方面效果明显。同时，由于补偿谐波电流大小与负载所串电抗成反比，因此负载侧串联电抗器能有效降低所需补偿的谐波电流，可以达到更好的滤波效果。由于有源滤波器造价高、运行损耗大、安装容量小，因此，在电压型谐波设备的治理方面无源滤波器有着广泛的应用前景。