某炭素厂配电系统谐波治理节能改造方案

1、设计编号： 客户名称： 项目名称： 设 计 方 案 二二年二月 目录 一、项目概述 ?2 二、企业实施电能质量管理的必要性 ?2 1、谐波对设备及生产的影响 ?4 2、谐波治理是企业发展需求 ？?5 3、电能质量改善带来的效益 ?5 三、谐波治理改造方案要求？5 四、谐波治理技术方案 ？6 1、测试目的及仪表简介？6 2、数据测试及分析？13 3、谐波治理解决方案 ？ 14 五、产品介绍 ？18 六、无源滤波、有源滤波及与其他进口品牌的比较 ？ 27 七、工程概要 ？29 八、质量保证和售后服务 ？30 九、应用案件例介绍 ？31 一、项目概述 1. 编制的依据： 根据碳素厂煅烧车间 . 新焙

2、烧车间 . 成型车间提供的用电数据及我方技术人员现场采集电气 数据编制此方案。 2. 改造单位的基本情况： 碳素厂煅烧车间和新焙烧主要用电设备为：风机、混捏机和电焊机等动力设备，其中大 部分设备使用了 ABB变频器，产生了大量的谐波，考虑到生产工艺的安全保障及电力品质改造 的方向， 根据设备用电情况及生产工艺要求进行谐波治理改造方案的设计。 3、供电系统情况分析： 碳素厂煅烧车间，新焙烧，成型用电设备以电机为主。由于生产工艺要求的复杂性，对 用电设备的供电质量的可靠性要求较高。 在现场用电设备中，变频负载所占比例较大，产生大量的谐波，影响供电系统的稳定性， 极大地恶化了线路和系统的电力品质，

3、对线路系统中的其他设备及 PLC系统的正常运行产生了 不良影响和安全隐患，同时造成不必要的电力能源额外损耗。 二、企业实施电效管理的必要性 1、谐波对设备及生产的影响 (1) 谐波对电机的影响 谐波对电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。 由于集肤效应、磁滞、涡流等随着 频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。 在供电系统中， 用户的 电动机负荷约占整个负荷的绝大部分。 因此， 谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的 影响最为显著。 由于电动机的出力一般不能按发热情况进行调整， 由谐波引起电动机的发 热效是按它能承受的谐波电压折算成等值的基波负序电压来考虑的。相关试验表明，

4、在额 定出力下持续承受为 3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。谐波电 流所产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大， 但谐波会产生显著的脉冲转矩， 可 能会出现电机转轴扭曲振动的问题。 (2) 谐波对变压器的影响 谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是谐波会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对 全星形连接的变压器， 当绕组中性点接地， 而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接 地的并联电容器时，可能形成谐波谐振，使变压器附加损耗增加。 （3）谐波对工厂自动控制系统的影响 随着自动控制的普及，工厂大量使用了如PLC DC等电子设备的自动控制系统，此类 设备对供电电压的谐波畸变很敏感

5、， 这种设备常常须靠电压波形的过零点和其它电压波形 取得同步运行。 电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间 电压的位置点。 这两点对于不同类型的自动控制设备是至关重要的。 控制系统对这两点 （电 压过零点与电压位置点 ） 的判断错误可导致控制系统失控。谐波还严重干扰仪表信号的幅 值，进而造成生产或运行中断或误动作，引起设备和生产事故，导致较大的经济损失。 （ 4）谐波对供电线路的影响 优于供电线路阻抗的频率特性， 线路电阻随着频率的升高而增加。 在集肤效应的作用 下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的 损耗占了大部分，所以谐波使电

6、网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流 增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波 的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联 谐振。一般情况下，并联谐波谐振所产生的谐波过电压和过电流对相关设备的危害性较 大。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容 产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起 继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电 力电缆线路，由于电缆的对地电容比架空线路约大10-20 倍，而感抗约为架空线路的

7、1/2-1/3 ，因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大，造成绝缘击穿的事故。 （5） 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性 谐波对电力系统中以负序 （基波）量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这 是由于这些按负序 （基波 ）量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上 再叠加上谐波的干扰则会引起发电机负序电流保护误动（若误动引起跳闸，则后果严重 ）、 变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电 压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装 置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。 （ 6）干扰通信系统的工

8、作 电力线路上流过的 5、7、11、13 等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在 邻近电力线的通信线路中产生干扰电压， 干扰通信系统的工作， 影响通信线路通话的清 晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁 通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声 (3-10kHz) 会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置 产生动作失误，影响电网运行的安全。 (7) 对用电设备的影响 谐波会使如照明设备、通信设备、电视及音响设备、电脑设备、载频遥控设备等都 容易受谐波的干扰而影响其正常的工作或减少其使用寿命

9、 . (8) 谐波对人体的影响 从人体生理学来说， 人体细胞在受到刺激兴奋时， 会在细胞膜静息电位基础上发生 快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直 接影响人的脑磁场与心磁场。 2、谐波治理是企业发展的需求 电能管理、电力分配和电力品质、负载设计等问题已成为影响企业生产经营的又一重要因 素，因电能管理、电力分配不合理和电力品质不佳等问题造成的设备故障率上升、产品品质下 降、设备增容成本增加的问题已成为企业又一制约发展和赢利的成本。 同时，中国企业侧的电能使用效率却极低，我们每创造一个GD单位的收益，所用去的电耗, 是发达国家的 35倍。电能使用密度过大，电耗

10、高度密集，使得一些企业的成本过高，产品不 具备国际和市场竞争力。 三、谐波治理改造方案的要求 目 的：在满足生产工艺的情况下，以消除谐波为目的。全面考虑节能降耗的方法和途径，降低 用电系统电费成本，提升设备使用效率；选择设备简洁、种类尽量少是这次方案设计 的一个基本目标。本次设计方案的优劣直接会影响相关设备的操作和维护，而系统的 复杂程度也随之会有变化，因此，设计的每一个细节都需考虑到将来实施、操作、管 理、维护的每一个层面。 兼容性： 考虑到生产工艺的需要，电效控制柜设备独立，不依赖于原有系统，出现问题能及时 脱离原操作系统。 维护性： 操作简单，设备安装维护简洁，以并联方式进行连接。保证控

11、制系统的相互操作性、 关联性，并易于维护、管理和扩充。 综合效益： 包括可以提高电机的实际功率因数、降低线损、减少电机的损坏率、换修率、延长 设备的维修周期和使用寿命等，从而提高设备使用效率，提升企业的竞争力。 四、谐波治理技术方案 第一部分：测试目的及仪表简介： 谐波测试目的： 了解无功、谐波的基本情况并进行电气数据分析。 测试 仪器：(FLUKE43电能质量分析仪)监测及记录电力质量，当问题出现时分析它产生 的原因，电力质量故障诊断功能最全面的仪器，测量功率因数，突升，突降， 闪变，谐波分析到 50次，高频瞬态测量，检测及波形显示。 设备技术参数；电压精确度：0.2%+0.1 电流精确度：

12、0.5%+0.1 第二部分：数据测试及分析 1. 煅烧车间配电系统由2台容量800kVA变压器供电，电压等级为 400V,各变压器配电系统下负 荷基本相同， 三相运行电流、 电压基本平衡， 系统有变频器 12台. 各配电系统负载设备有锅炉引 风机132KWt 2台、大窑引风机45KW 2台、小窑引风机55KWc 2台，还有一些小功率设备和照明设 备。变压器根据生产需要提供 3种供电方式 ； (1) . 开一备一运行 ， 闭合母线 . (2) .2 台同时独立运行 ， 断开母线 . (3) . 开一备一运行 ， 断开母线 . ( 这种运行方式较少出现 ) 1DKV + *E 煅烧车间配电系统示意

13、图 2008年5月5日煅烧车间1#变压器母线各测试电气数据图表如下： (1 )、A相现场测试数据如下： A相5次谐波电流和谐波含量A相7次谐波电流和谐波含量 67.4 A 57A 50“ MAK FHJG MIH riayO:5C M2 THD 23(5 IUD 啣THD 12 Vs BACK : RECALL H M A M 245 THD 240 THD 啣THD H附 AUG MIH MayOS 2009 09;55:05 负荷平均谐波含量和电流 12 (3) 不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化； (4) 用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿；

14、(5) 不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开等。 由以上可看出，它克服了传统的无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，因而有很大 的发展前途。 2. (SAHF)有源电力滤波器系统结构 (SAHF)有源电力滤波器系统结构如图I所示。 (SAHF)有源电力滤波器的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电 流运算单元计算出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流，补偿电 流与负载电流中需用补偿的谐渡及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。在图1中的体 现是，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流iL中的 谐波分

15、量iLb后，将其反极性作为补偿电流的指令信号iC*，再由补偿电流发生电路产生补偿 电流ic ,其中补偿电流ic与负载电流中谐波分量iLh大小相等，方向相反，因而两者相互抵 消，使得电源中电流中只含基波，达到消除电源电流中谐波的目的。 图1为有源滤波器的系统框图。通过传感器检测非线性负载的电流iLa、iLb、iLc经电 流信号调理后送入指令电流产生电路，指令电流产生模块是由 TI公司的DSP为核心建立的。DSP 计算出需要补偿的谐波和无功电流后，通过外部D/A送入电流跟踪控制电路。 霍尔传感器检测 有源电力滤波器主电路的电流ica、icb、icc ,经电流信号调理后也送入电流跟踪控制电路， 电流

16、跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令电流进行滞环比较后送出栅极开关驱动信号，驱动 电路接受来自前级电流跟踪控制电路的PWMt号，并经隔离放大后驱动主电路的开关管，以控 制主电流的电路跟随指令电流的变化，最终达到实时补偿谐波与无功功率的目的。电压传感器 检测变流器直流侧总电压，经电压信号调理后送入指令电流发生电路，通过合理的控制以凋节 直流侧电压的稳定。启动、关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关断，并提供装置 的过流、过压、过热、缺相等故障保护功能。 3.有源电力滤波器主电路设计 有源电力滤波器主电路的形式绝大多数采用电压型，(SAHF)有源滤波器选择主电路为并 联电压型、单个变流器的形式

17、。 (SAHF)有源滤波器主电路设计需要解决的问题是：主电路容量的计算；开关器件的选择 及其参数的确定；对补偿电流的跟踪特性起决定作用的参数(输出电感L、直流侧电容电压 Ud、 滞环宽度S )的设计；按所选器件要求的驱动电路的设计以及整个装置的各种保护电路设计。 (1 )主电路容量的计算 有源电力滤波器的容量 SA由式 确定 S,=3Eh(1) 式中：E为电网相电压有效值； Lc为补偿电流有效值。 如果所设计装置的容量为 15 kVA，则 lc=SA/3E=15x103/3x220=22. 7 A (2 )功率开关器件的选取 (SAHF)有源滤波器选取适用于 APFP中的全控型开关器件主要有G

18、TR IGBT、IGCT等，器 件。 (3 )主电路滞环宽度的选取 有源电力滤波器的指令电流包含高次谐波和暂态电流，实际输出的电流对指令电流有很 f与电网电压ea、变 高的跟踪能力。下面以 A相为例，分析采用滞环控制时逆变器的工作频率 流器直流侧电压 Ud及主电路电感值和滞环宽度S间的相互关系。 对于A相半桥逆变电路，可得电路方程为 式小 为通过电容C的最大电流值 ITMl H 所以.直流侧电容ffi为 (18) (5 ).输出电感值的选取 有源滤波器的补偿特性丰要取决于输出补偿电流对于补偿指令电流的跟踪控制能力。而 输出电感值直接决定了补偿电流的跟踪速度，从而很大程度地影响电力有源滤波器的工

19、作性能。 电感值过大，则系统不能适时跟踪指令电流信号，而且电感值的增大也会造成设备成本的增加; 反之。如果太小，则补偿后的纹波电流过大。 (SAHF)有源电力滤波器设计时合理选择主电路交 流侧输出电感值。 (6) 电感的最大取值 由主电路的模型，对于 A相有 忙(疋厂“) 若妒*则 (19) (20) 当二必点F*或 片一EK尸-土时, 小即 (U.u (1/ 为最 I A 要使补偿电流能駅馳福令电流. nin 1 1 1 1 / F j A d 95% 滤波次数 固定 2到41次 体积 大 小 容量扩展 不能 方便 负载特性的适应性 弱 强 现场实测数据 需 不需要 维修 麻烦 模块化热拔插

20、方便 噪音 55DB 55DB 项目达标率 80% 100% 动态响应 5 s 20ms 自动限流 无 有 系统谐振 容易产生 不发生 功率因数稳定度 波动大 稳定在设定值 降低线损 10% 10% 运行模式 滤波+无功 可设置为只补偿谐波、只补偿无 功或冋时补偿谐波和无功 保护 过流、雷击 过流（两级）、雷击、过压（两 级）、驱动欠压、轻载封闭、过 热（三级）、模块故障报警、适 中保护 2. 与其他进口品牌的比较： 萨梅特有源滤波装置与国外其他知名品牌比较，性能指标基本完全一致，在某些方面甚至更 加优越： （1）萨梅特低压电力有源滤滤装置采用模块化设计，每个模块完全独立，单模块故障不影 响其

21、他模块的正常工作，维修更方便。由于支持热拔插，直接拔出损坏的模块，插上新的模 块即可，前后只需几秒钟时间。维修成本也更低，只收取单模块的成本即可。某些牌由于采 用单柜大电流的形式，维修需要更换功率大得多的功率器件，还需寻找故障点，所以维修相 当麻烦，费用也高得多。 （2 ）萨梅特低电压力有源滤波装置保护功能非常强大：其中过流保护采用两级保护，第一 级峰值限流，模块仍正常工作，第二级为RMS过流，模块自动关断，并可自动恢复。直流过 压保护采用两级保护， 第一级过压正常运行，并自动快速降低直流电压， 第二级过压自动关 断，并可自动恢复。过热采用了一级保护，第一级50C启动散热器风机降温，第二级70

22、C 启动内部风道降温，第三级在 100 C模块自动关断。模块正常工作于额定电流及以下时，温 度不会超过60C,并且温度在100 C以下时模块仍可正常工作（所有器件均为工业器件，耐 温为105C）,大大降低了热损坏的概率。 功率模块损坏的原因主要有热损坏和防止措施不当， 我们的防止措施是： 功率器件的散 热器风道在模块后部并完全外露， 散热器的平面部分直接作为模块的后部封板， 风道外露的 好处是空气不进入模块内部进行循环， 粉尘也不会进入模块内部。 而散热器直接接触外部空 气， 散热效果也大大提高，同时也大大减少了功率模块和损坏率。国外某些知名品牌的做法 是靠柜体整体向外排风， 所有功率器直接接

23、触流动的空气， 所以防尘效果差些， 如果要增加 防尘效果，需要在进风口设置滤网，并且要定期清洗，才能不影响散热效果。 七、工程概要 1、碳素厂谐波治理工程施工细则的确立 碳素厂谐波治理工程施工细则是谐波治理工程安装施工所做的详细方案说明。 碳素厂谐波治理工程在合同签定以后，我方技术人员根据实际现场测得的数据以及碳 素厂方面的技术人员提供的现场平面图和技术要求，编制出详细的施工细则。此细则中， “碳素厂谐波治理工程规划”是安排施工准备和组织工程施工的全面性技术、经济文件， 是指导工程施工的法规，是保证按期、优质、低耗地完成此次安装工程施工的重要措施。 施工方案则是围绕工程特点对施工中的主要工序，在施工方法、时间配合和空间布置等方 面进行合理安排，以保证施工作业的正常进