低压无功补偿兼谐波滤除装置ZRTBBL

 低压无功补偿兼谐波滤除装置ZRTBBL

中容电力补偿设备有限公司研制生产的低压谐波滤除装置是专用于低压电网3次、5次、7次、11次、13次及以上的谐波无源滤波装置。适用于中频冶炼、变频、轧钢、整流设备等的环境。该装置采用了电感和电容器组成串联谐振吸收回路，有效的将负载产生的谐波加以吸收，从而避免将谐波电流返送到电力变压器，大大降低电网的谐波量，同时有利于用户电力变压器的运行，降低功耗，提高设备和其它电器组件的可靠性。此外该设备还提供一定容量的无功功率补偿，提高用户负载的运行效率。该装置分综合控制柜和电抗柜，视用户要求不同，配置的滤除谐波次数也不同。通常一套ZRTBBL系统可滤除3种谐波。系统的操作可分自动运行和手动操作。

1.2谐波的基本定义及基础知识

1.2.1领域内关键词语的基本概念

★ 谐波：（harmonic） 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。我国供电系统频率为50Hz，所以3次谐波的频率150HZ。5次谐波的频率为250 Hz。7次谐波的频率为350 Hz。11次谐波的频率为550 Hz，13次谐波的频率为650 Hz。

★ 公共连接点：（PCC）用户接入电网的连接处。

★ 总谐波畸变率：（THD）周期性交流量的谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。电压总谐波畸变率以THDU表示，电流总谐波畸变率以THDI表示。

★ 谐波源（harmonic source）：向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。

★ 感性无功：电动机，变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫感性无功功率。

★ 容性无功电容器在交流电网中接通时在一个周期内，上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫容性无功功率。

★ 功率因数：有功功率与视在功率的比值称为功率数。

★ 功率因数调整电费：实行两部分电价制度的用电企业，供电部门根据用户平均功率因数而加收或减免的电费，称为功率因数调整电费

1.2.2谐波的产生和危害

● 谐波的产生

谐波主要是由于大容量整流或换流设备以及其它非线性负荷，导致电流波形畸变造成的。我们对这些畸的变交流量进行傅立叶级数分解，即可得到50Hz的基波分量和频率为基波分量整数倍的谐波分量。

● 谐波的危害

    ★ 影响供电系统的稳定运行：供配电系统中的电力线路与电力变压器，一般采用电磁继电器，感应式继电器或新式微机保护进行检测保护，在系统中这些属于敏感元件，继电器受到高次谐波的影响容易产生误动作，微机保护由于采用了整流采样电路，也及易受到谐波的影响导致误动或拒动，这样谐波严重威胁供电系统的稳定与安全运行。

★ 影响电网的质量：高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加电路损耗，浪费电网容量。

    ★ 影响供电系统的无功补偿设备：供电系统变电站均有无功补偿设备，当谐波注入电网时容易造成高压电容过电流和过负荷，使电容异常发热：另外谐波的存在还会加快电容器绝缘介质的老化，缩短电容的使用寿命。

★ 影响电力变压器的使用：谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用效率；还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。

  ★ 影响用电设备：谐波的存在会造成异步电机电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备的准确性。

1.2.3治理谐波及补偿无功功率的重要性

采用专门的滤波装置能够有效的滤除高次谐波，同时向电网提供容性无功功率，其重要性主要表现在以下方面：

    ★ 滤除高次谐波能够定化用电环境，降低视在功率，减少谐波电流在用电设备和输配电设备中的发热，直接节省有功功率；消除由于谐波产生的震动，延长电器的使用寿命；有效的消除对敏感元件的影响。

★ 由于滤波回路是由电抗器和电容器串联形成的，所以在滤波的过程中能向电网注入容性无功，提高了功率因数，这样就能避免供电部门高额的功率因数调整电费，由于无功电流的抵消，也相当于提高了配电设备的容量，减少了线损。无功功率补偿还能提升末端的电网电压，对优化用电环境有很重要的意义。

    在设计滤波器时，首先应满足各种负载水平下对谐波限制的技术要求，然后在次前提下，使滤波器在经济上*为合理。除以上经济分析外，设计滤波器还应注意以下两点：

1）单调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。设计时应保证在正常是谐的情况下滤波装置仍能满足各项要求。

2）电网阻抗变化对滤波装置尤其是其中的单调谐滤波器的滤波效果有较大影响，而更为严重的是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能，设计时应充分予以考虑。

1.3项目业主有关情况

根据用户提供的供电系统资料可知，该配电系统中频生产线上现有供电变压器1台，容量均为1600KVA，低压单母线运行，电压变比为10/0.4，带3台大功率中频电炉。由于中频机采用的是晶闸管整流技术，在工作时不同程度地产生了一定的谐波发生量，根据用户提供的参数及我公司对其它同类型项目的谐波测试数据分析可知，中频机工作时，在用户配电系统中，3次谐波电流含量可达到7%以上，5次谐波电流含量可达到22%以上，7次谐波电流也可达18%以上，谐波电流及谐波电压畸变率将会远远超出国标《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549-93的国家标准限值。高次谐波电流注入上端10KV电网，将导致电力系统中高次谐波含量迅速增长，引起供电电压波形畸变，增加了线损和用电设备的损耗，造成了多余的能耗，同时影响电网其他用电设备的正常运行，降低了电能质量，对设备的安全运行造成了安全隐患。同时由于设备运行时随着负荷的变化功率因数变化也较大，低负荷时只有0.75左右，这将产生多余的无功损耗，给用户造成较大无功罚款，使用户蒙受了较大的电费损失。

为了保证设备正常运行、供电系统可靠供电和节约电能，需要对该设备采取抑制谐波电流的技术措施，同时考虑补偿基波无功功率。根据我国有关电网电压质量的标准规定，以及目前国内外在谐波治理方面的研究成果，采用滤波兼动态补偿技术方案，针对该整流产生的特征谐波分别设置滤波回路，吸收谐波电流，同时也起到补偿基波无功功率、节约电能的作用。

中容电力补偿设备有限公司公司生产的谐波治理设备具有动态跟随负荷的变化的特性，能有效提高电网的电能质量、功率因数和节约电能，同时提高整个用电系统运行的可靠性及设备运行效率，降低运行成本和设备维护费用，延长设备的使用寿命，给用户带来明显的经济效益。

设计遵循的主要标准

2.3.1总设计及制造标准：

电能质量　　公用电网谐波　　　　GB/T14519-1993

电能质量　　电压波动和闪变　　　GB12326-1000

电能质量　　供电电压允许偏差　　GB12325-1990

低压无功功率补偿装置总技术条件　GB/T　15576-1995

低压无功就地补偿装置　　　　　  JB/T　7115-1993

无功补偿技术条件；JB/T9663-1999《低压无功功率自动补偿控制器》

低压电气及电子设备发出的谐波电流限值   GB/T 17625.7-1998 

电能质量  三相电压允许不平衡度   GB/T 14543-1995

《钢铁企业电力设计手册》

国标GB1027     《电压互感器》

国标GB/T5356   《电压互感器试验导则》

国标GB1028     《电流互感器》

国标GB16847    《保护用电流互感器暂态特性技术要求》

国标JB/T5356    《电流互感器试验导则》

国标 GB11032-1000  《交流无间隙金属氧化物避雷器》

GB/T 15291-94        《半导体器件 第6部分晶闸管》

2.3.2电容器

电工术语　电力电容器　　GB/T　2900.16-1996

低压并联电容器　　　　　GB/T　3983.1-1989

2.3.3电抗器

电抗器　　　　　      　GB10229-88

电抗器　　　　　　  　　IEC　289-88

2.3.4控制器

低压无功补偿控制器定货技术条件　DL/T597-1996

2.3.5施工

电气装置安装工程　接地装置施工及验收规范　　GB50169-92

电气装置安装工程　盘柜及二次回路结成施工及验收规范　　GB50171-92

低压电器外壳防护等级　　GB5013.1-1997

低压成套开关设备和控制设备　　GB7251.1-1997

低压电器电控设备　　GB4720-1984

 

2.4 方案设计、仿真分析及设备选型

2.4.1滤波方案设计、仿真分析及设备选型（单个绕组侧）

2.4.1.1基波补偿容量及安装容量的确定

根据测试数据显示目前中频机以及部分生产装置功率因数,以如下公式计算出需要补偿的无功功率(总功率P取1200KW，PF=0.75)。

Q＝P（－）

　计及滤波电抗的滞后无功作用，取补偿后的COS=0.95　得到需补偿760kVar。

根据用户提供的现场技术参数、技术要求，以及我公司谐波数据分析，结合我公司以往对其它同类型项目的设计经验，通过计算、修正及仿真，本方案设计在变压器的低压绕组侧各加装一套滤波补偿装置，设计单套滤波装置基波补偿容量为760kvar（能满足用户月平均功率因数在0.95以上），装置共分为3，5，7次3条滤波支路。由于考滤到滤波装置投入后吸收大量谐波电流注入各滤波支路，因此滤波装置在满足基本补偿容量的同时，必须得加大安装容量，本方案设计系统总安装容量为1260kvar。

滤波装置的一次接线图如下图所示：

2.4.1.2仿真分析及校验

采用滤波补偿方案，用仿真软件分析比较了多种效果，由于系统中的实际谐波发生量非常大，在相同基波的补偿容量下，采用3，5，7组合有利于对系统的实时无功补偿及*大限度吸收3，5，7，次谐波电流，同时避免对其它次谐波产生放大。仿真给出系统谐波阻抗图，由于系统中11次及以上谐波分量本身就比较小，故不会产生太大影响。

滤波装置投入后的系统阻抗曲线及谐波吸收曲线仿真图如下：

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