谐波治理方案

1 谐波治理方案谐波治理方案 目目 录录 一 谐波的基本定义及基础知识 3 二 系统概述 5 三 滤波补偿方案 5 四 滤波效果分析 12 五 滤波补偿对网压波动的改善预测 13 六 设计依据 13 七 TSC 谐波治理及动态补偿关键元器件整件的要求 13 八 滤波柜体尺寸 14 九 供货范围以及基本要求 15 十 施工进度计划安排 15 十一 系统造价 15 十二 柜体排列图 16 2 谐波治理方案谐波治理方案 一 一 谐波的基本定义及基础知识谐波的基本定义及基础知识 1 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 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 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 3 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 影响精密加工 影响精密加工 设备的正常运行设备的正常运行 影响电力电子计量设备的准确性 1 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 滤除高次谐波能够优化用电环境 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 使滤波器在经济上最为合理 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调谐的情况下滤波装 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 4 二 系统概述二 系统概述 1 变压器容量 2000KVA 电压等级 10KV 660V 连接组别 三角形 星形 短路阻抗 5 6 大概 主要负载 中频熔炼炉 功率为 2000KW 1 台 2 变压器容量 315KVA 电压等级 10KV 400V 连接组别 星形 星形 短路阻抗 4 3 大概 主要负载 中频熔炼炉 功率为 400KW 两台 根据贵公司提供的供电系统资料及用电设备的各项参数可知 该低压配电系统 现有 2000KVA 变压器 1 台 另一台为 315kva 变压器一台 主要用电负荷为中频熔炼 炉设备 由于中频炉为整流设备采用的是 6 脉整流的工作特性 在工作时不同程度 地产生了一定的谐波发生量 主要产生以 6N 1 次为主的奇次谐波分量 根据用户 对该配电系统的低压谐波监测数据分析可知 在用户配电系统中 5 次谐波分量比 较大 5 次谐波电流达到了 460A 以上 7 次谐波电流 300A 11 次谐波电流 150A 2000KVA 变压器 谐波电压及电流畸变率均会超出了国家 电能质量 公用 电网谐波 GB T 14549 93 的国家标准 系统产生的谐波电流注入 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 影响电网其他用户用电设备的正常运行 造成 高压 10KV 侧无法进行电容补偿 降低了电能质量 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 针对该整流变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 该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 根据该配电系统的情况 对用户整个配电系统进行谐波 治理总共需要 1 套滤波补偿装置 即在 2000KVA 变压器的低压绕组侧分别安装一套 滤波补偿装置 三 滤波补偿方案三 滤波补偿方案 根据配电系统的实际情况 本方案设计对 2000KVA 变压器进行谐波治理及无功 功率补偿 故其考核点也只设在变压器的 10KV 接入点 设计方案综合考虑节约用户 成本投入 即要降低用户配电系统的谐波发生量 使用户配电系统谐波量达到国家 标准 同时又要使用户的功率因数满足要求 充分达到谐波治理及补偿功率因数节充分达到谐波治理及补偿功率因数节 5 约用电的双重收效约用电的双重收效 由用户的配电系统特性及对该配电系统的谐波测试数据可知 该系统为典型的 6 脉整流特性 主要产生以 5 7 11 次特征谐波为主的奇次谐波 因 11 次以上谐 波相对较小 加装 11 次高通滤波支路即可将其抑制到国家标准以下 故对于 2000KVA 变压器谐波滤波装置主要考虑以滤除 5 7 11 次谐波为主 对 11 次以上 谐波也都有一定的吸收作用 的滤波补偿方式 1 滤波补偿方法 1 1 补偿系统接入整流变压器的低压二次绕组侧 1 2 补偿系统能动态跟踪补偿负载无功功率的变化 1 3 谐波电流平均吸收率达到 70 以上 相应次的谐波电压均满足国标 GB T14549 93 要求 1 4 补偿的平均功率因数 0 95 1 5 补偿过程中电网电压波动满足国家相关标准要求 1 6 补偿系统具有以下安全运行措施 系统 过电压保护 过电流保护 低电压保护 接地保护 电容器 过压 过流 过热保护及缺相保护 电感 电抗 过流 过热保护 1 7 补偿装置系统总功率损耗 P 损小于 2 Q 总 Q 总为补偿总量 1 8 系统不产生无线电 射频 电磁干扰 1 9 运行方式 全自动 连续工作 显示参数 PF U I S Q P 工作状态等 11 种指示 2 装置配置 采用 3 频点滤波 利用仿真软件对系统进行了多次仿真分析 比较了多组滤波 组合的滤波效果 最终确定为对 2000KVA 变压器采用 5 7 11 次滤波的最佳配置方 案 由于采用六脉整流 产生 6N 1 次 N 为工频频率倍数 故谐波的特征次为 5 7 11 在相同基波的补偿容量下 采用 5 7 11 次滤波组合有利于吸收 5 7 11 次及 11 次以上的各次谐波电流 同时对其它次谐波也不会产生放大作用 仿真给出了系统谐波阻抗图及谐波吸收曲线力 滤波装置的一次接线图如下图所示 6 1800KVA变 低压0 4KV母线 A B C QF1 1TA MK1 FU1 C5 L5 L5 C5 L5 C5 MK2 FU2 QF2 2TA C7 L7 L7 C7 L7 C7 MK3 FU3 QF3 3TA C11 L11 L11 C11 L11 C11 图二 1250KVA 变滤波装置一次示意图 3 装置额定参数 3 1 1800KVA 滤波装置额定参数 根据对以往其它同型号系统的设计经验及本系统的测试数据可知 设备工作时 所缺的无功基本上都在 800kvar 左右 本方案设计在 2000KVA 变压器的低压 0 66KV 绕组侧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 1000kvar 能满 足用户平均功率因数在 0 92 以上 装置共分为 5 7 11 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 2531kvar 滤波装置投入时系统仿真如下 7 0510152025 0 1 2 4 5 6 7 谐波吸收曲线 2000KVA 谐波次数 h 吸收率 K 图三 2000KVA 变压器滤波装置投入后的系统阻抗曲线及谐波吸收曲线 以上仿真曲线表明 滤波装置投入后系统稳定 不会与用户供电系统发生整数 次的特征谐波放大 且对系统的 5 7 11 次谐波吸收率达到了 70 以上 11 次以上 谐波电流平均吸收率也达到了 50 以上 单套滤波电容器参数表 H5H7H11合计备注 电容器 uF 198913251325 三相电容器安 装容量 kvar 1518 1 05kv 506 1 05kv 506 1 05kv 25311 05 三相电容器输 出容量 kvar 60020020010000 66kv 滤波电抗器选型如下 5 次滤波电抗器选用 LKSG 0 4 450A 0 204 Q 40 左右 共 1 台 7 次滤波电抗器选用 LKSG 0 4 200A 0 156 Q 40 左右 共 1 台 11 次滤波电抗器选用 LKSG 0 4 200A 0 0633 Q 40 左右 共 1 台 注意 滤波电抗器调节范围是考虑到限流电抗器电感制造误差 注意 滤波电抗器调节范围是考虑到限流电抗器电感制造误差 10 10 10 10 滤波电容器组制造误差滤波电容器组制造误差 0 0 3 3 计算出来的 但制造厂制造的滤波电抗器可调范围计算出来的 但制造厂制造的滤波电抗器可调范围 一般在 一般在 5 5 5 5 这样必须对电抗器可调范围 滤波电容器的制造误差加以限制 这样必须对电抗器可调范围 滤波电容器的制造误差加以限制 8 单套滤波补偿系统主要元器件材料选型如下表 名 称型 号数 量备注 断路器NM1 或 CM12 只 晶闸管KP96 套 整流管ZP96 套 谐波控制器JKW1A 12X1 只 滤波电容器AFM2531kvar 滤波电抗器LKSG 3 台 柜体1000 1000 22004 柜体 其它电气元件均采用正泰 常熟等知名品牌 四 滤波效果分析四 滤波效果分析 滤波装置投入后 注入系统的各次谐波电流及谐波电压畸变率均能满足中家标准 要求限值 月平均功率因数提高到 0 95 以上 国标 GB T 14549 93 规定如下 公用电网谐波电压 相电压 限值见表 1 表表 1 1 电网标称电压 KV 电压总谐波畸变 率 各次谐波电压含有率 奇次 偶次 0 385 04 02 0 6 10 4 03 21 6 35 66 3 02 41 2 1102 01 60 8 5 5 谐波电流允许值 5 15 1 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量 方均根值 不应超过表 2 中规定的允许值 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时 表 2 中的谐波电流允许值的换算见附录 B 补充件 表表 2 2 注入公共连接点的谐波电流允许值注入公共连接点的谐波电流允许值 标准 电压 KV 基 准 短 路 容 量 谐波次数及谐波电流允许值 9 MVA2345678910111213141516171819202122232425 0 381078623962264419211628132411129 7188 6167 88 97 1146 512 610043342134142411118 5167 1136 16 85 3104 79 04 34 93 97 43 66 8 10100262013208 5156 46 85 19 34 37 93 74 13 26 02 85 42 62 92 34 52 14 1 3525015127 7125 18 83 84 13 15 62 64 72 22 51 93 6 1 73 21 51 81 42 71 32 5 6650016138 1135 49 34 14 33 35 92 75 02 32 62 03 81 83 41 61 91 52 81 42 6 110750129 66 09 64 06 83 03 22 44 32 03 71 71 91 52 81 32 51 21 41 12 11 01 9 注 220KV 基准短路容量取 2000MVA 附 录 B 谐波电流允许值的换算 补充件 当电网公共连接点的最小短路容量不同于表 2 基准短路容量时 按下式修正表 2 中的谐波电流允许值 Ih Sk1 Sk2 Ihp B1 五 滤波补偿对网压波动的改善预测五 滤波补偿对网压波动的改善预测 引起网压波动的原因在于电网无功功率的变化 有关网压波动的计算公式如 下 Sb 系统基准容量 电压波动最大值为 Vmax 100 Qmax Sc Sc Sb Xs Sc 供电点至电源的短路阻抗标么值 补偿前的 Vmax 100 Qmax Sc 100 1 27 4 补偿后的 Vmax 100 Qmax Sc 100 0 2 27 0 8 取补偿前相同有功功率为参考 滤波补偿对网压波动的改善是明显的 六 设计依据六 设计依据 1 无功补偿技术条件 JB T9663 1999 低压无功功率自动补偿控制器 2 GB 14549 93 电能质量公用电网谐波 3 GB T 17625 7 1998 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 4 GB T 14543 1995 电能质量 三相电压允许不平衡度 5 GB T 12326 2000 电能质量 电压波动和闪变 6 GB T 12325 1990 电能质量 供电电压允许偏差 7 钢铁企业电力设计手册 10 七 七 TSCTSC 谐波治理及动态补偿关键元器件整件的要求谐波治理及动态补偿关键元器件整件的要求 1 滤波电容器的选择依据 保护措施 滤波电容器采用材料为法国 BOLLORE 公司的补偿及滤波专用电容膜 其要求为 1 线电流密度为 0 12A 米或相当于 1kvar 容量 0 82KV 允许最大电流为 2Ar m s 可承受冲击短路电流能力为 60A 使用环境温度为 25 55 温度 系数为 0 015 以环境温度 20 为基准 温度从 20 55 其电容量变化不 超过 0 006 2 电容损耗小于 0 001 tg 3 电容量年衰退率不大于 0 02 4 具有过电压保护性能 当过电压产生时 电容器不击穿 并自动将瞬间过 电压的能量释放 5 具有过流保护性能 当电流超出允许值时 内部压力保险将切断电源 6 过热保护 同过流保护 2 滤波电抗 电感器 的选择依据 保护措施 滤波电抗器三相铁芯式电抗 有良好的线性度 采用取向硅晶片及合理的气隙 电感器采用多层绕制而成 以保证每根电感量之间的偏差不大于 1 工作时确 保最高温升不超过 60 K 电感器内置温度保护开关 在工作异常时 温度达 到 105 C 由主控器控制 予以切断电感器电路 3 晶闸管的选择 国产株州电力机厂研究所半导体厂 KP9 ZP9 耐压大于 3000V 4 补偿控制器的选择 选用 JKW1A 12X 型自适应无功功率补偿控制器 1 响应时间 20ms 驱动电平 0 12V 2 驱动能力 200mA 12 3 自适应功能 一步到位功能 4 自动判则电容组状态 当电容组出现故障 自动开除出局 5 具有缺相保护 过电压 欠电压保护 6 抗谐波能力强 能在大谐波 大冲击性负荷环境下可靠运行 八 滤波柜体尺寸八 滤波柜体尺寸 见柜体排列图 附图 11 现场需提供的安装场地约为 4X1 4MM2 也可根据现场实际情况