1.1前言
我公司研制生產(chǎn)的高低壓無功補償諧波濾除裝置。適用于冶金，化工，紡織，通訊機房設備等的環(huán)境。該裝置采用了動態(tài)過零投切元件，電感和電容器組成串聯(lián)諧振吸收回路，有效的將負載產(chǎn)生的諧波加以吸收，從而避免將諧波電流返送到電力變壓器，大大降低電網(wǎng)的諧波量，同時有利于用戶電力變壓器的運行，降低功耗，提高設備和其它電器組件的可靠性。此外該設備還提供一定容量的無功功率補償，提高用戶負載的運行效率。系統(tǒng)的操作可分自動運行和手動操作。
1.2諧波的基本定義及基礎知識
1.2.1領域內(nèi)關鍵詞語的基本概念
★ 諧波：（harmonic） 對周期性交流信號量進行傅立葉級數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量。我國供電系統(tǒng)頻率為50Hz，所以5次諧波的頻率為250 Hz。7次諧波的頻率為350 Hz。11次諧波的頻率為550 Hz，13次諧波的頻率為650 Hz。
★ 公共連接點：（PCC）用戶接入電網(wǎng)的連接處。
★ 總諧波畸變率：（THD）周期性交流量的諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比（用百分數(shù)表示）。電壓總諧波畸變率以THDU表示，電流總諧波畸變率以THDI表示。
★ 諧波源（harmonic source）：向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備。
★ 感性無功：電動機，變壓器在能量轉換過程中建立交變磁場，在一個周期內(nèi)吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率叫感性無功功率。
★ 容性無功電容器在交流電網(wǎng)中接通時在一個周期內(nèi)，上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，不消耗能量，這種充放電功率叫容性無功功率。
★ 功率因數(shù)：有功功率與視在功率的比值稱為功率數(shù)。
★ 功率因數(shù)調(diào)整電費：實行兩部分電價制度的用電企業(yè)，供電部門根據(jù)用戶平均功率因數(shù)而加收或減免的電費，稱為功率因數(shù)調(diào)整電費
1.2.2諧波的產(chǎn)生和危害
● 諧波的產(chǎn)生
諧波主要是由于大容量整流或換流設備以及其它非線性負荷，導致電流波形畸變造成的。我們對這些畸的變交流量進行傅立葉級數(shù)分解，即可得到50Hz的基波分量和頻率為基波分量整數(shù)倍的諧波分量。
● 諧波的危害
★ 影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行：供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器，一般采用電磁繼電器，感應式繼電器或新式微機保護進行檢測保護，在系統(tǒng)中這些屬于敏感元件，繼電器受到高次諧波的影響容易產(chǎn)生誤動作，微機保護由于采用了整流采樣電路，也及易受到諧波的影響導致誤動或拒動，這樣諧波嚴重威脅供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。
★ 影響電網(wǎng)的質(zhì)量：高次諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加電路損耗，浪費電網(wǎng)容量。
★ 影響供電系統(tǒng)的無功補償設備：供電系統(tǒng)變電站均有無功補償設備，當諧波注入電網(wǎng)時容易造成高壓電容過電流和過負荷，使電容異常發(fā)熱：另外諧波的存在還會加快電容器絕緣介質(zhì)的老化，縮短電容的使用壽命。
★ 影響電力變壓器的使用：諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用效率；還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。
★ 影響用電設備：諧波的存在會造成異步電機電動機效率下降，噪聲增大；使低壓開關設備產(chǎn)生誤動作；對工業(yè)企業(yè)自動化的正常通訊造成干擾，影響電力電子計量設備的準確性。
1.2.3治理諧波及補償無功功率的重要性
采用專門的濾波裝置能夠有效的濾除高次諧波，同時向電網(wǎng)提供容性無功功率，其重要性主要表現(xiàn)在以下方面：
★ 濾除高次諧波能夠凈化用電環(huán)境，降低視在功率，減少諧波電流在用電設備和輸配電設備中的發(fā)熱，直接節(jié)省有功功率；消除由于諧波產(chǎn)生的震動，延長電器的使用壽命；有效的消除對敏感元件的影響。
★ 由于濾波回路是由電抗器和電容器串聯(lián)形成的，所以在濾波的過程中能向電網(wǎng)注入容性無功，提高了功率因數(shù)，這樣就能避免供電部門高額的功率因數(shù)調(diào)整電費，由于無功電流的抵消，也相當于提高了配電設備的容量，減少了線損。無功功率補償還能提升末端的電網(wǎng)電壓，對優(yōu)化用電環(huán)境有很重要的意義。
在設計濾波器時，首先應滿足各種負載水平下對諧波限制的技術要求，然后在次前提下，使濾波器在經(jīng)濟上*為合理。除以上經(jīng)濟分析外，設計濾波器還應注意以下兩點：
1）單調(diào)濾波器的諧振頻率會因電容，電感參數(shù)的偏差或變化而改變，電網(wǎng)頻率會有一定的波動，這將導致濾波器失諧。設計時應保證在正常是諧的情況下濾波裝置仍能滿足各項要求。
2）電網(wǎng)阻抗變化對濾波裝置尤其是其中的單調(diào)諧濾波器的濾波效果有較大影響，而更為嚴重的是，電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設計時應充分予以考慮。
1.3項目業(yè)主提供的有關情況
1、 1.5噸爐型號GPRS-1250-700。1.5T中頻爐配1250KVA.整流變壓器，副邊電壓750V。整流脈動數(shù)為6脈。
2、 中頻電源輸出功率1100KW，直流電壓960V。中頻電壓1300V。
3、 5次、7次諧波電壓≤4% 。5次、7次諧波電流≤4% ?？傊C波量≤5%。
第二章 方案設計
2.1 設計依據(jù)
l 變壓器參數(shù)
1250KVA 10／0.75KV Ud＝5％ 1臺
l 系統(tǒng)短路容量：18MVA
l 負載資料：
表1 負載參數(shù)
|
變壓器參數(shù) |
負載參數(shù) |
||||||
|
變壓器名稱 |
額度容量（KVA） |
數(shù)量 |
一次/二次電壓（KV） |
連接組別 |
負載名稱 |
功率 |
數(shù)量(臺) |
|
電力變壓器 |
1250 |
1臺 |
10/0.75KV |
Dyn11 |
|
1100KW |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
諧波含量現(xiàn)場測試/估算數(shù)據(jù)
l 諧波數(shù)據(jù)分析
用戶提供數(shù)據(jù)：
表2.0.75KV側諧波發(fā)生量
|
設備名稱 |
基波電流 |
諧波電流max |
備注 |
|
||
|
5TH |
7TH |
|||||
|
1250KVA變 |
1100kW |
962A |
58A |
39A |
|
|
|
畸變率 |
|
|
6% |
4% |
|
|
|
國標允許值 18MVA |
|
|
45.9A |
32.4A |
|
|
2.2 設計要達到的技術要求
根據(jù)業(yè)主的要求，對變壓器進行低壓無功功率補償，補償后變壓器二次側的平均功率因數(shù)大于0.95，諧波達到國家標準。
l 考核點（PCC）：低壓750V側。
l 考核指標：
1) 月平均功率因數(shù)：＞＝0.95。
2) 諧波電流一般不超過國標限值（GB／T14549－93），如表3
|
標準 電壓 KV |
基準短路容量 MVA |
諧波次數(shù)及諧波電流允許值 |
|||||||||||||||||||||||
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
||
|
0.38 |
10 |
78 |
62 |
39 |
62 |
26 |
44 |
19 |
21 |
16 |
28 |
13 |
24 |
11 |
12 |
9.7 |
18 |
8.6 |
16 |
7.8 |
8.9 |
7.1 |
14 |
6.5 |
12 |
|
6 |
100 |
43 |
34 |
21 |
34 |
14 |
24 |
11 |
11 |
8.5 |
16 |
7.1 |
13 |
6.1 |
6.8 |
5.3 |
10 |
4.7 |
9.0 |
4.3 |
4.9 |
3.9 |
7.4 |
3.6 |
6.8 |
|
10 |
100 |
26 |
20 |
13 |
20 |
8.5 |
15 |
6.4 |
6.8 |
5.1 |
9.3 |
4.3 |
7.9 |
3.7 |
4.1 |
3.2 |
6.0 |
2.8 |
5.4 |
2.6 |
2.9 |
2.3 |
4.5 |
2.1 |
4.1 |
|
35 |
250 |
15 |
12 |
7.7 |
12 |
5.1 |
8.8 |
3.8 |
4.1 |
3.1 |
5.6 |
2.6 |
4.7 |
2..2 |
2..5 |
1.9 |
3.6. |
1.7 |
3.2 |
1.5 |
1.8 |
1.4 |
2.7 |
1.3 |
2.5 |
|
66 |
500 |
16 |
13 |
8.1 |
13 |
5.4 |
9.3 |
4.1 |
4.3 |
3.3 |
5.9 |
2.7 |
5.0 |
2.3 |
2.6 |
2.0 |
3.8 |
1.8 |
3.4 |
1.6 |
1.9 |
1.5 |
2.8 |
1.4 |
2.6 |
|
110 |
750 |
12 |
9.6 |
6.0 |
9.6 |
4.0 |
6.8 |
3.0 |
3.2 |
2.4 |
4.3 |
2.0 |
3.7 |
1.7 |
1.9 |
1.5 |
2.8 |
1.3 |
2.5 |
1.2 |
1.4 |
1.1 |
2..1 |
1.0 |
1.9 |
表3注入PCC點各次諧波電流限值
注：當電網(wǎng)公共連接點的*小短路容量不同于表2基準短路容量時，按下式修正表2中的諧波電流允許值： Ih=Sk1/Sk2×Ihp …………………………（B1）
2.3 設計遵循的主要標準
2.3.1總設計及制造標準：
電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 GB/T14519-1993
電能質(zhì)量 電壓波動和閃變 GB12326-1000
電能質(zhì)量 供電電壓允許偏差 GB12325-1990
低壓無功功率補償裝置總技術條件 GB/T 15576-1995
低壓無功就地補償裝置 JB/T 7115-1993
無功補償技術條件；JB/T9663-1999《低壓無功功率自動補償控制器》
低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值 GB/T 17625.7-1998
電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度 GB/T 14543-1995
《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》
國標GB1027 《電壓互感器》
國標GB/T5356 《電壓互感器試驗導則》
國標GB1028 《電流互感器》
國標GB16847 《保護用電流互感器暫態(tài)特性技術要求》
國標JB/T5356 《電流互感器試驗導則》
國標 GB11032-1000 《交流無間隙金屬氧化物避雷器》
GB/T 15291-94 《半導體器件 第6部分 晶閘管》
2.3.2電容器
電工術語 電力電容器 GB/T 2900.16-1996
低壓并聯(lián)電容器 GB/T 3983.1-1989
2.3.3電抗器
電抗器 GB10229-88
電抗器 IEC 289-88
2.3.4控制器
低壓無功補償控制器定貨技術條件 DL/T597-1996
2.3.5施工
電氣裝置安裝工程 接地裝置施工及驗收規(guī)范 GB50169-92
電氣裝置安裝工程 盤柜及二次回路結成施工及驗收規(guī)范 GB50171-92
低壓電器外殼防護等級 GB5013.1-1997
低壓成套開關設備和控制設備 GB7251.1-1997
低壓電器電控設備 GB4720-1984
2.4 方案設計、設備選型
2.4.1方案設計、設備選型
2.4.1.1基波補償容量及安裝容量的確定
根據(jù)用戶提供的設備數(shù)據(jù)要求，設備運行總功率1100kW，功率因數(shù)為0.9，要求將功率因數(shù)提高至0.95以上。基波補償容量按下面公式計算。
Q＝P（－
）
用戶負載的有功功率取1100KW（考慮一定的過載量），功率因數(shù)取0.9，補償?shù)?span>0.95，實際需要無功需求量180KVar；
經(jīng)我公司分析計算，結合我公司以往對其它相同項目的設計經(jīng)驗，本方案設計在變壓器低壓側加裝一套低壓無功補償兼諧波濾除裝置，濾波裝置基波補償容量為220kvar（能滿足用戶月平均功率因數(shù)在0.95以上），裝置分為5次濾波支路。由于考濾到濾波裝置投入后吸收大量諧波電流注入濾波支路，因此濾波補償裝置在滿足基本補償容量的同時，必須得加大安裝容量，本方案設計系統(tǒng)總安裝容量為360kvar。
主要元器件清單
|
序號 |
設備名稱 |
型號規(guī)格 |
單位 |
數(shù)量 |
備注 |
|
|
1 |
低壓無功補償兼諧波濾除裝置 |
ZRTBBL-0.75-360KVar-H5 |
臺 |
1 |
成套 |
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
主要元氣件清單 |
|||||
|
5 |
斷路器 |
DW15-400 |
|
|
正泰 |
|
|
6 |
電流表 電壓表 |
42L6-A |
|
|
人民 |
|
|
7 |
避雷器 |
YH1.5W-1.2 |
|
|
上海 |
|
|
8 |
電流互感器 |
BH-0.66 |
|
|
人民 |
|
|
9 |
濾波補償測控儀 |
ZRKWNLC |
|
|
能容 |
|
|
10 |
快速熔斷器 |
RSO-RX1 |
|
|
茗熔 |
|
|
11 |
真空接觸器 |
CKJ5-630 |
|
|
上海志遠 |
|
|
12 |
濾波電抗器 |
ZRLKSG |
|
|
能容電力 |
|
|
13 |
濾波干式電容器 |
ZRAKMJ |
|
|
能容電力 |
|
|
14 |
風機溫控裝置 |
WSK-FYZ |
|
|
上海 |
|
|
15 |
GGD成套柜體及銅排附件 |
|
|
|
能容 |
|
|
備注 |
1、主要元氣件選用本公司配套產(chǎn)品； |
|||||
2.4.1.2計算機仿真分析及校驗
一、濾波裝置投入前后考察點諧波電流對比如下：
|
H(次數(shù)) |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
考察點諧波電流國標限值(A) |
58.05 |
45.9 |
28.35 |
45.9 |
18.9 |
32.4 |
14.85 |
14.85 |
11.48 |
21.6 |
9.59 |
17.55 |
|
濾波前考察點諧波電流(A) |
0 |
0 |
0 |
58.34 |
0 |
39 |
0 |
0 |
0 |
18.23 |
0 |
14.7 |
|
濾波后考察點諧波電流(A) |
0 |
0 |
0 |
13.65 |
0 |
25.07 |
0 |
0 |
0 |
13.46 |
0 |
11.04 |
|
H(次數(shù)) |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
|
考察點諧波電流國標限值(A) |
8.24 |
9.18 |
7.16 |
13.5 |
6.35 |
12.15 |
5.81 |
6.62 |
5.27 |
9.99 |
4.86 |
9.18 |
|
濾波前考察點諧波電流(A) |
0 |
0 |
0 |
10.5 |
0 |
9.15 |
0 |
0 |
0 |
7.23 |
0 |
6.53 |
|
濾波后考察點諧波電流(A) |
0 |
0 |
0 |
8.01 |
0 |
7.01 |
0 |
0 |
0 |
5.57 |
0 |
5.04 |
二、5次濾波支路濾波率如下：
|
H(次數(shù)) |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
|
濾波率(%) |
-- |
-- |
-- |
76.6 |
45.79 |
35.73 |
31.25 |
28.77 |
27.23 |
26.19 |
25.45 |
24.9 |
|
H(次數(shù)) |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
21 |
22 |
23 |
24 |
25 |
|
濾波率(%) |
24.48 |
24.15 |
23.89 |
23.68 |
23.51 |
23.36 |
23.24 |
23.13 |
23.04 |
22.96 |
22.89 |
22.83 |
三、濾波器的阻抗幅頻特性如下：
四、濾波器的阻抗幅頻特性如下：
由于系統(tǒng)中的實際諧波發(fā)生量不是很大，在相同基波的補償容量下，采用5次單調(diào)諧濾波之路已可以*大限度吸收5，7次諧波電流，同時避免對其它次諧波產(chǎn)生放大。
第三章 系統(tǒng)功能及關鍵元器件性能
3.1 系統(tǒng)功能
l 環(huán)境溫度：-25℃～+55℃，相對濕度不大于90%（25℃）。安裝環(huán)境：室內(nèi)，等級要求同配電間
l 補償系統(tǒng)接入變壓器的二次側的進線開關下端
l 補償系統(tǒng)能跟蹤補償負載無功功率的變化
l 諧波電流平均吸收率達到60~80%以上，相應次的諧波電壓均滿足國標GB/T14549-93要求
l 補償?shù)钠骄β室驍?shù)≥0.95
l 補償過程中電網(wǎng)電壓波動滿足國家相關標準要求
l 系統(tǒng)具有以下安全運行措施：
系統(tǒng)：過電壓保護、失電壓保護、過電流保護、電流速斷保護、低電壓保護、接地保護、氧化鋅避雷器抑制過電流保護、放電電阻放電保護；
電容器：過壓、過流、過熱保護及缺相保護；
電感（電抗）：過流、。
l 補償裝置系統(tǒng)總功率損耗：P損小于2%Q總（Q總為補償總量）
l 系統(tǒng)不產(chǎn)生無線電(射頻)電磁干擾。
l 運行方式：全自動，連續(xù)工作。
l 顯示參數(shù)：PF，U，I，S，Q，P，工作狀態(tài)指示。
l 裝置內(nèi)設溫度自動排風裝置，實實監(jiān)測柜內(nèi)溫度自動開啟風機；
3.2 關鍵元器件性能
3.2.1 濾波電容器
濾波電容器采用材料為濾波專用電容膜，其性能為：
（1）線電流密度為0.12A/米或相當于0.4KVar容量(0.82KV)允許*大電流為2Ar.m.s，可承受沖擊短路電流能力為60A，使用環(huán)境溫度為-25℃～+55℃，溫度系數(shù)為0.015%，以環(huán)境溫度20℃為基準，溫度從-20℃～+55℃，其電容量變化不超過±0.006；
（2）電容損耗小于0.001(tgδ)；
（3）電容量年衰退率不大于0.02%；
（4）具有過電壓保護性能：當過電壓產(chǎn)生時，電容器不擊穿，并自動將瞬間過電壓的能量釋放；
（5）具有過流保護性能：當電流超出允許值時，內(nèi)部壓力保險將切斷電源；
（6）過熱保護：同過流保護；
3.2.2濾波電抗（電感器）
濾波電抗器采用三相鐵芯式電抗, 有良好的線性度，采用取向硅晶片及合理的氣隙，電感器采用多層繞制而成，以保證每根電感量之間的偏差不大于1%，工作時確保*高溫升不超過60 °K。
3.2.3電容器真空接觸器
CKJ5交流低壓真空接觸器適用于交流50Hz，額定工作電壓至1140V，額定工作電流63-630A的電力網(wǎng)絡。因主觸頭在高真空環(huán)境中工作，因此具有電弧不外漏、體積小、重量輕、維修周期長等優(yōu)點，特別適宜于偷竊大容量電容器組的場合。
3.2.4控制器及保護模塊
ZRKWNLC濾波補償測控儀采用多任務操作系統(tǒng)內(nèi)核，實現(xiàn)了微秒級的快速投切，鐵電技術；海量存儲，交流采樣技術、LCD中文顯示，四象限分析等技術，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)采集、通訊、電量統(tǒng)計、歷史數(shù)據(jù)存儲、故障報警、電網(wǎng)諧波分析、無功補償?shù)裙δ?，可以控?4路電容組，直接連接電腦進行聯(lián)機操作。主要應用于三相四線制的配電網(wǎng)，監(jiān)測配電變壓器、配電線路運行狀態(tài)和補償電網(wǎng)無功，根據(jù)無功功率大小，功率因數(shù)和電壓范圍，自動控制電容器投切進行補償，有效地提高供電電壓質(zhì)量、提高配電網(wǎng)絡的安全穩(wěn)定及經(jīng)濟運行水平。
（1）響應時間≤20ms，驅動電平0-12V或無源繼電器模塊；
（2）驅動能力200mA×16；
（3）自適應功能，一步到位功能；
（4）自動判則電容組狀態(tài)，當電容組出現(xiàn)故障，自動開除出局；
（5）具有缺相保護、過電壓、欠電壓保護，諧波超標保護；
（6）抗諧波能力強，能在大諧波、大沖擊性負荷環(huán)境下可靠運行。
3.2.5 柜體
GGD柜型板材采用2mm厚冷軋薄板組裝而成，立柱用8FM型材。柜頂加裝吊環(huán)和防塵蓋板，吊環(huán)可承重1.5噸。柜體前、后門下部沖有散熱孔，兩側裝有護板。柜內(nèi)設有銅制接地端子。尺寸公差滿足國標GB1804-m級。
