中頻爐諧波治理，電弧爐諧波治理，電石爐諧波治理，框熱爐諧波治理，軋機諧波治理，礦井提升機諧波治理，礦井直流絞車諧波治理，高壓變頻器諧波治理，密煉機諧波治理，電解槽諧波治理，高頻爐諧波治理，點焊接諧波治理，高壓諧波濾除兼無功補償裝置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(zhuǎn)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(cè)諧波發(fā)生量

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(cè)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(cè)。

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：  I_h=S_k1/S_k2×I_hp …………………………（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(jié)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(jié)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(cè)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、本套裝置戶內(nèi)安裝.柜型組裝噴塑.柜內(nèi)母線選用銅母線,不含水平母排；

 

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(cè)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(qū)動電平0-12V或無源繼電器模塊；

（2）驅(qū)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(cè)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。