化工廠諧波分析論文

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摘要：諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設備（包括化工電解整流設備）及其它非線性負荷產生，諧波源產生的諧波不但危及電網及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實際經濟效益的。本文以滏陽化工廠為實例對諧波的產生及治理方案進行了分析研究。

關鍵詞：諧波造成的危害系統接線

1諧波造成的危害

諧波主要是由稱為諧波源的大功率換流設備（包括化工電解整流設備）及其它非線性負荷產生，諧波源產生的諧波不但危及電網及其它電力用戶而且也危及自身，因此諧波的治理是十分必要且有實際經濟效益的。本文以滏陽化工廠為實例對諧波的產生及治理方案進行了分析研究。

該化工廠由郝村站供電，站內裝設三組共10．8Mvar并聯電容器，分別串聯有4．5％，7％和12％電抗率的電抗器，分別用于限制五次及以上、四次及以上、三次及以上高次諧波放大并分別對五次諧波、四次諧波、三次諧波形成不完全濾波。

投運后電容器出現嚴重過負荷，噪音異常，個別電容器投運不久就發生鼓肚現象，后測試發現母線諧波電壓和電容器回路諧波電流嚴重超標，為防止設備進一步損壞，將10．8Mvar電容器全部退出運行。

通過對赫村站進一步測試結果表明，諧波主要是來自滏陽化工廠，不僅諧波含量高而且諧波頻譜范圍寬（最低為二次）。

在齊村熱電廠供電區內，電網及用戶近幾年也相繼發生了一些問題，如王郎110kV變電站綜合自動化繼電保護裝置曾多次發生誤動，調查分析普遍認為諧波造成保護誤動的可能性比較大。另外，諧波對熱電廠的發電機也帶來了一些不利影響，發生過保護誤動故障（主要是諧波中的負序分量影響），熱電廠曾以某種方式就此提出異議等。郝村站供電范圍內用戶的低壓電容器普遍投不上致使用戶功率因數低而被罰款。這些問題的產生是由于諧波造成的。

化工廠配電系統接線為單線四分段，每段母線由郝村一回10kV出線供電（郝村一段母線帶二回出線），每段母線接一臺整流變壓器，其中有兩臺的額定容量為12．5MVA，正常每臺帶負荷5～6MVA，另兩臺變壓器額定容量均為8MVA，正常每臺帶負荷為5MVA，四段母線正常分列運行。整流變壓器一次接線為三角形，二次側為雙反星形接線，可控硅整流，其中兩路還分別接有1．8Mvar和1．2Mvar并聯電容器，電容器回路未串聯電抗器。詳見圖1。

經過專業人員對化工廠配電系統的接線，設備配置，運行情況進行多次調查和測試，基本摸清情況，并對產生2次及以上高次諧波的原因進行了分析，制訂了治理方案。

2原因分析

2．1系統接線

一般地講，并聯運行的整流機組尤其是可控硅并聯機組，對供電電壓的相位要求非常嚴格，其交流側不應有兩個電源分別供電，如有必要則需對這兩個交流電源的供電特性，如電壓水平、周波等應有嚴格的要求，化工廠四臺整流裝置直流側并聯運行，其交流電源分別由郝村站一回10kV出線供電，每兩回10kV出線接在一段母線上，并分別由兩臺分列運行的變壓器供電，其中110kV側或由齊村同一母線供電，或一臺變壓器由齊村供電，另一臺由邯鄲熱電廠供電，雖然能保證周波一致，但由于自同一電源點至整流裝置的交流側，由于網絡參數不一致，負荷不同，使電壓降亦不同，尤其是變壓器電壓差別更顯著一些，致使各組整流機組的觸發時間不同步導通角不盡一致，并由于波形畸變可能使整流裝置的導通情況差異更大，產生非特征諧波。

2．2整流變壓器接線

四臺整流變壓器接線，一次繞組接線為三角形，二次側為雙反星形接線，等效為六相接線，其產生的特征諧波為：

n＝kp±1k＝1，2……（1）

理論計算對于p＝6相其諧波為5，7……。

實際上在電解工業中，廣泛應用兩臺六脈波橋式接線整流機組并聯組合形成等效十二脈波電路，對于二次為雙反星形接線的橋式整流回路，形成等效十二脈波，只需將其一次側繞組一臺接成星形另一臺接成三角形（見圖1b），使兩臺整流變壓器低壓側形成30°相角差，對于等效十二脈波整流電路應用（1）式計算，理論上只存在11、13等高次諧波，即可將含量較高的5、7次諧波消除，而又無需附加任何投資，這是一種非常好的方法，顯然四臺變壓器一次全部采用三角形接線，二次雙反星接線屬于設計選型配置不當。

兩種接線方式接線如圖1所示。

2．3控制角

分析四組整流裝置變壓器高壓側諧波電流，不但含有奇次諧波而且含有偶次諧波，尤其以39＃變更為嚴重，其產生的原因之一是可控硅整流裝置觸發角不同及器件特性有差異而產生異常諧波（即非特征諧波）。

2．4電容器裝置的影響

在38＃、39＃整流裝置的高壓側母線上分別接有未串聯電抗器的并聯電容器組，高壓并聯電容器對整流裝置的換相角和諧波電流發生量以及電網側電壓畸變程度都有影響。

從測試結果對比分析不難看出，電容器的投入與否，對諧波電流的影響非常明顯。

3治理措施

由于滏陽化工廠諧波負荷的特殊性——既有特征諧波，又有非特征諧波，并且含量較高，涉及到設備本身存在的問題，已不能采用單一的裝設濾波裝置，還需要改變變壓器接線，治理整流裝置——即需要采取綜合治理方案，才能有較好的濾波效果，并且改變變壓器接線，治理整流裝置不但屬于治本而且與裝設濾波裝置相比可以以較少的投入取得較好的效果。通過綜合治理使注入系統的諧波電流和母線諧波電壓都在國家標準允許范圍以內，使電力系統能夠安全可靠地優質供電。

3．1治理整流設備

3．1．1改變整流變壓器接線，將其中兩臺變壓器高壓側接線由三角形改為星形，使一臺一次星接的整流變與一臺一次為三角形接線的整流變并列運行，使其等效為十二脈波整流，使諧波電流含量較高的5、7次諧波被基本消除，當然需要增加平衡電抗器，見圖1。

將變壓器一次繞組由三角形改為星形接線，需要將高壓繞組匝數減少42．3％，存在的問題是變壓器繞組容量下降為額定容量的57．7％，實際上改后的容量可達到額定容量的60％～70％，需要核算改后變壓器容量是否能夠滿足負荷要求，如容量不存在問題，改變變壓器一次繞組接線不失為一種較好的方案。

3．1．2產生非特征高次諧波的主要原因是整流裝置本身，因為一般情況下，電源電壓為三相對稱系統，供電回路為三相對稱回路，產生非特征高次諧波主要是由于整流裝置可控硅的觸發角不同或器件特性存在差異，通過改進控制回路并調整不合格可控硅，使2、3、4、6次等非特征高次諧波基本被消除（將模擬控制器改為計算機控制器）。

3．1．3取消高壓側普通并聯電容器，因為其對整流裝置的導通情況產生影響并對高次諧波電流產生放大作用，其危害太大，需要拆除以消除其影響。

置消除其差異取得的效果對濾波裝置的設置有影響，若基本能消除2、3、4次及以上偶次諧波則濾波裝置只需濾除5次及以上的奇次諧波。若2、3、4次及以上偶次諧波仍超過國家標準，則濾波裝置需濾除二次及以上高次諧波，高次諧波次數越低對相應的濾波設備要求也愈高，顯然這種情況我們不希望出現，因為它將使濾波裝置復雜，投資高、損耗大，運行費用也提高。

我們認為，經過治理整流設備應該能消除或基本消除偶次諧波及三次諧波，使其注入系統的諧波電流含量在標準允許范圍之內，萬一達不到這種效果再考慮裝設相應的濾波裝置。

濾波方案按以下條件確定：

（1）每套濾波裝置裝設5、7、11次單通濾波器，單通濾波器選擇R－L－C串聯的B型濾波器，裝設一套13次及以上的高通濾波器，其選擇H型濾波器。

（2）按改進化工廠一次接線方案即兩套整流裝置設置一套濾波裝置，在化工廠共裝置兩套濾波裝置。

（3）暫按不改變變壓器一次繞組配置濾波裝置，如果改接線實施時再取消5、7次單通濾波器。按目前實測的諧波電流含量設計濾波裝置，待治理整流設備后實測諧波電流再調整濾波器參數。

3．3濾波器設計

3．3．1設計條件

為使濾波器設計合理，既滿足濾波要求又盡可能節約投資和降低損耗，需要掌握以下三個條件：

（1）系統阻抗（高頻阻抗）及其變化范圍

需要了解系統在各種運行方式下的阻抗頻率變化曲線，或者最不利條件時即最小運行方式下的阻抗頻率曲線。工程上對于10kV系統可以等效為感性阻抗，并認為系統高頻阻抗始終是感性，本工程中，在最小運行方式下的基波阻抗值為Xx＝0．5（Sj＝100MVA）。

n次諧波下的系統諧波阻抗為"

Xnx＝0．5n

（2）諧波源產生的諧波量

根據以往多次實測結果綜合確定，各套整流裝置的諧波電流見表1。

由于測量是隨機的，具有分散性和不完全性，根據實際情況，在實測結果基礎上再考慮一定的余量作為設計參數。

（3）諧波限制標準

對諧波的限制以我國現行有關標準為目標值。本工程設計標準略高于國家標準（主要是考慮負荷有可能要發展及留有適當的余度）。

3.3.2濾波方案確定

交流濾波器可以在濾除諧波的同時,提供無功補償,即濾波器具有濾波和補償雙重作用,確定濾波器容量時道德根據無功補償需要確定一定電容量,根據測量結果化工廠目前政黨生產共需要10Mvar無功,計及其安裝的并聯電容器后共需要13Mvar無功,考慮到本廠目前實際生產能力達不到設計能力,因此每臺濾波裝置補償按6Mvar設計,共需要12Mvar。

濾波器的總補償容量確定后，根據支路諧波電壓基本相等原則，確定低通濾波器各支路容量和高通濾波器容量。

設n次調諧濾波器掛在相電壓為UP的接線上，因為是n次調諧，所以有：

n次調諧濾波器的電容器兩端諧波電壓為：

為了使各次調諧濾波器的電容器諧波電壓基本一致，須使ωCn∝In／n代入（5）式得：

（8）式即為無功補償容量QC分配公式。

根據化工廠諧波次數及諧波電流計算各支路濾波容量

5次諧波電流65A；

7次諧波電流65A；

11次諧波電流30A；

13次諧波電流25＋20＝45A；

總的無功補償容量按6Mvar計算則

Q5＝13／28．8×6000＝2708kvar

取2700kvar

Q7＝9．3／28．8×6000＝1800kvar

取1800kvar

Q11＝3／28．8×6000＝625kvar

取600kvar

Q13＝3．5／28．8×6000＝729kvar

取900kvar

按上述分配結果確定的方案如圖2所示。

對于5、7、11次單通濾波器采用最佳品質因數的方法求解其電阻值，一般品質因數Q在30～60之間。

對于13次高通濾波器按最佳濾波效果計算其它參數。

上述參數作為初步方案，待治理整流設備后，根據那時的諧波電流情況再作調整和詳細的工程設計計算。

3．4單調諧濾波器與電力系統的諧振

對于n次單調諧濾波器，其電感元件Ln與電容元件Cn滿足n·ωLn＝1／（nωCn），而對于低于n次的m次諧波，n次單調諧濾波器回路呈容性，在一定條件下，單調諧濾波器與系統可能發生并聯或串聯諧振，諧振時發生的過電流和過電壓將增大損耗，損壞設備，危害非常嚴重，因此，必須避免單調諧濾波器與系統發生諧振現象。

單調諧與系統發生并聯諧振的等效電路見圖2。經過分析可以得出結論，對于n次單調諧濾波器為防止發生m次諧波諧振只要使

式中：LS—系統等值電感；

Ln—n次濾波器等值電感；

Cn—n次濾波器等值電容

實際工作中，為防止發生并聯諧振，一般采取的措施是使nωLn略大于1／（nωCn）使回路對于n次諧波略呈感性，當然這種措施是以降低濾波效果為代價，因此需要兼顧防止諧波放大和濾波效果，使其都在目標值范圍內。

同樣，對于n次單調諧濾波器還有與系統發生m次諧波串聯諧振的可能性，對于本項目而言基本不存在這種可能性，不再作討論。

4效益分析

經過諧波治理，預計達到的效益為：

（1）諧波電壓和諧波電流等項電能指標均符合國家標準，從而保證電網安全、可靠、經濟運行。

（2）電力設備損耗下降，噪音降低，減小絕緣老化程度，延長設備使用壽命。

（3）郝村站10．8Mvar電容器能夠正常投入使用，每年運行7000h，無功經濟當量按0．1，每kW·h按0．2元計算，每年可產生效益10800×7000×0．1×0．2＝151．2萬元。

（4）化工廠按12Mvar濾波裝置每年產生效益：12000×7000×0．1×0．2＝168萬元

（5）改造后使整流效率從0．92提高到0．98，按年耗電1×108kW·h計，可節約電能6×106kW·h合120萬元。諧波治理后，每年經濟效益可達到440多萬元，是十分可觀和有益的。

5投資計算

（1）整流設備治理暫按15萬元計列；

（2）變壓器改造按15萬元計列；

（3）濾波裝置按80×12000元＝96萬元；

共計投資約126萬元。

6結論

經過工程技術人員較長時間的測試和理論分析對滏陽化工廠的諧波情況和產生原因基本弄清，并提出相應的治理方案。

6．1治理整流設備，消除非特征諧波。

6．2改進變壓器接線，使其等效為12脈波整流裝置，消除含量較高的5、7次諧波電流。

6．3裝設濾波裝置，使注入系統的諧波電流在國家標準允許范圍之內，使郝村站及所供其它負荷的電氣設備能夠安全可靠運行。

通過上述綜合治理，力爭以較少的投資達到比較滿意的濾波效果。使電能質量符合國家標準要求，取得較好的社會效益和綜合經濟效益。

3．2裝設濾波裝置

濾波裝置的裝設需要根據整流裝置產生的高次諧波次數及高次諧波電流值和無功功率平衡等條件確定。

在本項目中濾波裝置的裝設還需要考慮以下兩種因素：

（1）濾波裝置安裝方式

化工廠內四套整流裝置正常分別由郝村一路10kV出線供電，每兩路10kV出線接在郝村一段10kV母線上。

每套整流裝置裝設一套濾波裝置共需四套濾波裝置。改進化工廠接線，即將正常工作時一回10kV線路分別帶一套整流裝置改為同一母線上的兩回線路并列運行（相應的保護要復雜一些）。每段母線裝設一套濾波裝置，又需要裝設兩套濾波裝置，既可節約投資，又可保證濾波效果，是一種較為理想的方案。同時為變壓器一次繞組改接線后使兩套整流裝置并列運行成為可能。

（2）整流設備治理效果

前已述及非特性高次諧波的產生主要是由于整流裝置的觸發角不同及器件特性有差異引起，治理整流裝[