化工厂谐波分析论文

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摘要：谐波主要是由称为谐波源的大功率换流设备（包括化工电解整流设备）及其它非线性负荷产生，谐波源产生的谐波不但危及电网及其它电力用户而且也危及自身，因此谐波的治理是十分必要且有实际经济效益的。本文以滏阳化工厂为实例对谐波的产生及治理方案进行了分析研究。

关键词：谐波造成的危害系统接线

1谐波造成的危害

谐波主要是由称为谐波源的大功率换流设备（包括化工电解整流设备）及其它非线性负荷产生，谐波源产生的谐波不但危及电网及其它电力用户而且也危及自身，因此谐波的治理是十分必要且有实际经济效益的。本文以滏阳化工厂为实例对谐波的产生及治理方案进行了分析研究。

该化工厂由郝村站供电，站内装设三组共10．8Mvar并联电容器，分别串联有4．5％，7％和12％电抗率的电抗器，分别用于限制五次及以上、四次及以上、三次及以上高次谐波放大并分别对五次谐波、四次谐波、三次谐波形成不完全滤波。

投运后电容器出现严重过负荷，噪音异常，个别电容器投运不久就发生鼓肚现象，后测试发现母线谐波电压和电容器回路谐波电流严重超标，为防止设备进一步损坏，将10．8Mvar电容器全部退出运行。

通过对赫村站进一步测试结果表明，谐波主要是来自滏阳化工厂，不仅谐波含量高而且谐波频谱范围宽（最低为二次）。

在齐村热电厂供电区内，电网及用户近几年也相继发生了一些问题，如王郎110kV变电站综合自动化继电保护装置曾多次发生误动，调查分析普遍认为谐波造成保护误动的可能性比较大。另外，谐波对热电厂的发电机也带来了一些不利影响，发生过保护误动故障（主要是谐波中的负序分量影响），热电厂曾以某种方式就此提出异议等。郝村站供电范围内用户的低压电容器普遍投不上致使用户功率因数低而被罚款。这些问题的产生是由于谐波造成的。

化工厂配电系统接线为单线四分段，每段母线由郝村一回10kV出线供电（郝村一段母线带二回出线），每段母线接一台整流变压器，其中有两台的额定容量为12．5MVA，正常每台带负荷5～6MVA，另两台变压器额定容量均为8MVA，正常每台带负荷为5MVA，四段母线正常分列运行。整流变压器一次接线为三角形，二次侧为双反星形接线，可控硅整流，其中两路还分别接有1．8Mvar和1．2Mvar并联电容器，电容器回路未串联电抗器。详见图1。

经过专业人员对化工厂配电系统的接线，设备配置，运行情况进行多次调查和测试，基本摸清情况，并对产生2次及以上高次谐波的原因进行了分析，制订了治理方案。

2原因分析

2．1系统接线

一般地讲，并联运行的整流机组尤其是可控硅并联机组，对供电电压的相位要求非常严格，其交流侧不应有两个电源分别供电，如有必要则需对这两个交流电源的供电特性，如电压水平、周波等应有严格的要求，化工厂四台整流装置直流侧并联运行，其交流电源分别由郝村站一回10kV出线供电，每两回10kV出线接在一段母线上，并分别由两台分列运行的变压器供电，其中110kV侧或由齐村同一母线供电，或一台变压器由齐村供电，另一台由邯郸热电厂供电，虽然能保证周波一致，但由于自同一电源点至整流装置的交流侧，由于网络参数不一致，负荷不同，使电压降亦不同，尤其是变压器电压差别更显著一些，致使各组整流机组的触发时间不同步导通角不尽一致，并由于波形畸变可能使整流装置的导通情况差异更大，产生非特征谐波。

2．2整流变压器接线

四台整流变压器接线，一次绕组接线为三角形，二次侧为双反星形接线，等效为六相接线，其产生的特征谐波为：

n＝kp±1k＝1，2……（1）

理论计算对于p＝6相其谐波为5，7……。

实际上在电解工业中，广泛应用两台六脉波桥式接线整流机组并联组合形成等效十二脉波电路，对于二次为双反星形接线的桥式整流回路，形成等效十二脉波，只需将其一次侧绕组一台接成星形另一台接成三角形（见图1b），使两台整流变压器低压侧形成30°相角差，对于等效十二脉波整流电路应用（1）式计算，理论上只存在11、13等高次谐波，即可将含量较高的5、7次谐波消除，而又无需附加任何投资，这是一种非常好的方法，显然四台变压器一次全部采用三角形接线，二次双反星接线属于设计选型配置不当。

两种接线方式接线如图1所示。

2．3控制角

分析四组整流装置变压器高压侧谐波电流，不但含有奇次谐波而且含有偶次谐波，尤其以39＃变更为严重，其产生的原因之一是可控硅整流装置触发角不同及器件特性有差异而产生异常谐波（即非特征谐波）。

2．4电容器装置的影响

在38＃、39＃整流装置的高压侧母线上分别接有未串联电抗器的并联电容器组，高压并联电容器对整流装置的换相角和谐波电流发生量以及电网侧电压畸变程度都有影响。

从测试结果对比分析不难看出，电容器的投入与否，对谐波电流的影响非常明显。

3治理措施

由于滏阳化工厂谐波负荷的特殊性——既有特征谐波，又有非特征谐波，并且含量较高，涉及到设备本身存在的问题，已不能采用单一的装设滤波装置，还需要改变变压器接线，治理整流装置——即需要采取综合治理方案，才能有较好的滤波效果，并且改变变压器接线，治理整流装置不但属于治本而且与装设滤波装置相比可以以较少的投入取得较好的效果。通过综合治理使注入系统的谐波电流和母线谐波电压都在国家标准允许范围以内，使电力系统能够安全可靠地优质供电。

3．1治理整流设备

3．1．1改变整流变压器接线，将其中两台变压器高压侧接线由三角形改为星形，使一台一次星接的整流变与一台一次为三角形接线的整流变并列运行，使其等效为十二脉波整流，使谐波电流含量较高的5、7次谐波被基本消除，当然需要增加平衡电抗器，见图1。

将变压器一次绕组由三角形改为星形接线，需要将高压绕组匝数减少42．3％，存在的问题是变压器绕组容量下降为额定容量的57．7％，实际上改后的容量可达到额定容量的60％～70％，需要核算改后变压器容量是否能够满足负荷要求，如容量不存在问题，改变变压器一次绕组接线不失为一种较好的方案。

3．1．2产生非特征高次谐波的主要原因是整流装置本身，因为一般情况下，电源电压为三相对称系统，供电回路为三相对称回路，产生非特征高次谐波主要是由于整流装置可控硅的触发角不同或器件特性存在差异，通过改进控制回路并调整不合格可控硅，使2、3、4、6次等非特征高次谐波基本被消除（将模拟控制器改为计算机控制器）。

3．1．3取消高压侧普通并联电容器，因为其对整流装置的导通情况产生影响并对高次谐波电流产生放大作用，其危害太大，需要拆除以消除其影响。

置消除其差异取得的效果对滤波装置的设置有影响，若基本能消除2、3、4次及以上偶次谐波则滤波装置只需滤除5次及以上的奇次谐波。若2、3、4次及以上偶次谐波仍超过国家标准，则滤波装置需滤除二次及以上高次谐波，高次谐波次数越低对相应的滤波设备要求也愈高，显然这种情况我们不希望出现，因为它将使滤波装置复杂，投资高、损耗大，运行费用也提高。

我们认为，经过治理整流设备应该能消除或基本消除偶次谐波及三次谐波，使其注入系统的谐波电流含量在标准允许范围之内，万一达不到这种效果再考虑装设相应的滤波装置。

滤波方案按以下条件确定：

（1）每套滤波装置装设5、7、11次单通滤波器，单通滤波器选择R－L－C串联的B型滤波器，装设一套13次及以上的高通滤波器，其选择H型滤波器。

（2）按改进化工厂一次接线方案即两套整流装置设置一套滤波装置，在化工厂共装置两套滤波装置。

（3）暂按不改变变压器一次绕组配置滤波装置，如果改接线实施时再取消5、7次单通滤波器。按目前实测的谐波电流含量设计滤波装置，待治理整流设备后实测谐波电流再调整滤波器参数。

3．3滤波器设计

3．3．1设计条件

为使滤波器设计合理，既满足滤波要求又尽可能节约投资和降低损耗，需要掌握以下三个条件：

（1）系统阻抗（高频阻抗）及其变化范围

需要了解系统在各种运行方式下的阻抗频率变化曲线，或者最不利条件时即最小运行方式下的阻抗频率曲线。工程上对于10kV系统可以等效为感性阻抗，并认为系统高频阻抗始终是感性，本工程中，在最小运行方式下的基波阻抗值为Xx＝0．5（Sj＝100MVA）。

n次谐波下的系统谐波阻抗为"

Xnx＝0．5n

（2）谐波源产生的谐波量

根据以往多次实测结果综合确定，各套整流装置的谐波电流见表1。

由于测量是随机的，具有分散性和不完全性，根据实际情况，在实测结果基础上再考虑一定的余量作为设计参数。

（3）谐波限制标准

对谐波的限制以我国现行有关标准为目标值。本工程设计标准略高于国家标准（主要是考虑负荷有可能要发展及留有适当的余度）。

3.3.2滤波方案确定

交流滤波器可以在滤除谐波的同时,提供无功补偿,即滤波器具有滤波和补偿双重作用,确定滤波器容量时道德根据无功补偿需要确定一定电容量,根据测量结果化工厂目前政党生产共需要10Mvar无功,计及其安装的并联电容器后共需要13Mvar无功,考虑到本厂目前实际生产能力达不到设计能力,因此每台滤波装置补偿按6Mvar设计,共需要12Mvar。

滤波器的总补偿容量确定后，根据支路谐波电压基本相等原则，确定低通滤波器各支路容量和高通滤波器容量。

设n次调谐滤波器挂在相电压为UP的接线上，因为是n次调谐，所以有：

n次调谐滤波器的电容器两端谐波电压为：

为了使各次调谐滤波器的电容器谐波电压基本一致，须使ωCn∝In／n代入（5）式得：

（8）式即为无功补偿容量QC分配公式。

根据化工厂谐波次数及谐波电流计算各支路滤波容量

5次谐波电流65A；

7次谐波电流65A；

11次谐波电流30A；

13次谐波电流25＋20＝45A；

总的无功补偿容量按6Mvar计算则

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

按上述分配结果确定的方案如图2所示。

对于5、7、11次单通滤波器采用最佳品质因数的方法求解其电阻值，一般品质因数Q在30～60之间。

对于13次高通滤波器按最佳滤波效果计算其它参数。

上述参数作为初步方案，待治理整流设备后，根据那时的谐波电流情况再作调整和详细的工程设计计算。

3．4单调谐滤波器与电力系统的谐振

对于n次单调谐滤波器，其电感元件Ln与电容元件Cn满足n·ωLn＝1／（nωCn），而对于低于n次的m次谐波，n次单调谐滤波器回路呈容性，在一定条件下，单调谐滤波器与系统可能发生并联或串联谐振，谐振时发生的过电流和过电压将增大损耗，损坏设备，危害非常严重，因此，必须避免单调谐滤波器与系统发生谐振现象。

单调谐与系统发生并联谐振的等效电路见图2。经过分析可以得出结论，对于n次单调谐滤波器为防止发生m次谐波谐振只要使

式中：LS—系统等值电感；

Ln—n次滤波器等值电感；

Cn—n次滤波器等值电容

实际工作中，为防止发生并联谐振，一般采取的措施是使nωLn略大于1／（nωCn）使回路对于n次谐波略呈感性，当然这种措施是以降低滤波效果为代价，因此需要兼顾防止谐波放大和滤波效果，使其都在目标值范围内。

同样，对于n次单调谐滤波器还有与系统发生m次谐波串联谐振的可能性，对于本项目而言基本不存在这种可能性，不再作讨论。

4效益分析

经过谐波治理，预计达到的效益为：

（1）谐波电压和谐波电流等项电能指标均符合国家标准，从而保证电网安全、可靠、经济运行。

（2）电力设备损耗下降，噪音降低，减小绝缘老化程度，延长设备使用寿命。

（3）郝村站10．8Mvar电容器能够正常投入使用，每年运行7000h，无功经济当量按0．1，每kW·h按0．2元计算，每年可产生效益10800×7000×0．1×0．2＝151．2万元。

（4）化工厂按12Mvar滤波装置每年产生效益：12000×7000×0．1×0．2＝168万元

（5）改造后使整流效率从0．92提高到0．98，按年耗电1×108kW·h计，可节约电能6×106kW·h合120万元。谐波治理后，每年经济效益可达到440多万元，是十分可观和有益的。

5投资计算

（1）整流设备治理暂按15万元计列；

（2）变压器改造按15万元计列；

（3）滤波装置按80×12000元＝96万元；

共计投资约126万元。

6结论

经过工程技术人员较长时间的测试和理论分析对滏阳化工厂的谐波情况和产生原因基本弄清，并提出相应的治理方案。

6．1治理整流设备，消除非特征谐波。

6．2改进变压器接线，使其等效为12脉波整流装置，消除含量较高的5、7次谐波电流。

6．3装设滤波装置，使注入系统的谐波电流在国家标准允许范围之内，使郝村站及所供其它负荷的电气设备能够安全可靠运行。

通过上述综合治理，力争以较少的投资达到比较满意的滤波效果。使电能质量符合国家标准要求，取得较好的社会效益和综合经济效益。

3．2装设滤波装置

滤波装置的装设需要根据整流装置产生的高次谐波次数及高次谐波电流值和无功功率平衡等条件确定。

在本项目中滤波装置的装设还需要考虑以下两种因素：

（1）滤波装置安装方式

化工厂内四套整流装置正常分别由郝村一路10kV出线供电，每两路10kV出线接在郝村一段10kV母线上。

每套整流装置装设一套滤波装置共需四套滤波装置。改进化工厂接线，即将正常工作时一回10kV线路分别带一套整流装置改为同一母线上的两回线路并列运行（相应的保护要复杂一些）。每段母线装设一套滤波装置，又需要装设两套滤波装置，既可节约投资，又可保证滤波效果，是一种较为理想的方案。同时为变压器一次绕组改接线后使两套整流装置并列运行成为可能。

（2）整流设备治理效果

前已述及非特性高次谐波的产生主要是由于整流装置的触发角不同及器件特性有差异引起，治理整流装[