機(jī)電工程師職稱范文供電諧波濾波器的應(yīng)用

　　摘要：由于工業(yè)生產(chǎn)線大量使用DC電源,變頻電機(jī),其整流，逆變設(shè)備將產(chǎn)生大量的高次諧波，產(chǎn)生附加損耗，污染電網(wǎng),宜采取抑制措施，為將用電單位供配電系統(tǒng)的諧波限在規(guī)定范圍內(nèi)。本文結(jié)合實(shí)際工程對濾波器的容量選擇及無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)做簡要闡述。

　　關(guān)鍵詞：諧波抑制,無源濾波器,THD,TCR,高次諧波

　　目前我們一般采用無源濾波器作為諧波抑制,那么選用濾波器時(shí)應(yīng)注意哪幾方面的問題呢?本人認(rèn)為應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

　　1.概述

　　工程由10KV/400V配電房三臺2000KVA變壓器供電, 主要負(fù)荷由上料，DC電源, 變頻電機(jī)，傳動(dòng)及動(dòng)力負(fù)荷等.1#變壓器出線主要負(fù)荷包括生產(chǎn)線MF+1：1230KW;MD+7：360KW;MG+3：300KW;ME+52:450KW;; MA+11: MA+12:630KW; 2#變壓器出線主要負(fù)荷包括生產(chǎn)線MF+10：1020KW;ME+12：820KW;MA+3：293KW;ME+51:150KW;;MA+11: MA+12:630KW;3#變壓器出線主要負(fù)荷變頻空調(diào)空調(diào)機(jī)組等，計(jì)算負(fù)荷共計(jì)5100KW.

　　Sn-變壓器的視在功率;

　　Gh-系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的設(shè)備(如變頻調(diào)速裝置)，非線性負(fù)荷的視在功率;

　　_ Gh / Sn≤15% 可以采用單電容補(bǔ)償方案

　　_ 15%

　　_ Gh / Sn>60% 可以考慮采用可調(diào)諧濾波器補(bǔ)償或有源濾波器方案

　　負(fù)載的特點(diǎn)通過設(shè)備提供的參數(shù)詳各出線產(chǎn)生高次諧波的電流值.其特征諧波含量5次，7次較大,生產(chǎn)工藝情況不同時(shí)，其產(chǎn)生的無功和諧波有很大的不同。

　　對上述負(fù)荷的總體動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波抑制的設(shè)計(jì)必要性。需要解決生產(chǎn)線所產(chǎn)生的無功及諧波,補(bǔ)償裝置安裝后功率因數(shù)達(dá)到0.95以上，大幅度降低無功損耗，有效消除和抑制諧波含量和電壓畸變。

　　對新設(shè)計(jì)項(xiàng)目

　　1. 單電容器補(bǔ)償方案(無去諧電抗器)

　　2. 去諧濾波器補(bǔ)償方案

　　電抗率7% (或5.67% ) - 針對工業(yè)項(xiàng)目(5th以上諧波);

　　電抗率14% - 針對民用建筑項(xiàng)目(3rd以上諧波);

　　去諧方案非常安全，可以滿足絕大多數(shù)項(xiàng)目的要求;

　　3. 調(diào)諧濾波器補(bǔ)償方案

　　考慮到安全性，在不知道將來實(shí)際諧波的情況下，要慎重采用;

　　4. 補(bǔ)償(單電容器或去諧方案)+ 有源濾波器方案

　　由于成本的原因，很少采用;

　　2 .無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)應(yīng)用

　　根據(jù)工程供電系統(tǒng)圖,供電為400V三段母線供電：1，2，3#變壓器各用一段母線，三段母線聯(lián)鎖。1,2#母線的主要問題是無功沖擊，電壓波動(dòng)及諧波濾波,2#母線的主要問題是無功補(bǔ)償

　　，本工程1，2#母線上安裝一套5，7次濾波支路TCR型無功補(bǔ)償及諧波濾波裝置系統(tǒng)，在3#母線上安裝一套無功補(bǔ)償?shù)恼{(diào)諧電容電抗器組,這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：

　　1)1,2#母線上安裝濾波電抗器，電容器，相控電抗器系統(tǒng)可以連續(xù)調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償量,功態(tài)響應(yīng)速度快，可以解決生產(chǎn)線對電網(wǎng)的劇烈沖擊，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，濾除諧波，使1，2#母線功率因數(shù)保持在整定值0.95以上。

　　2)3#母線上設(shè)功率因數(shù)集中補(bǔ)償裝置,電容器組采用自動(dòng)循環(huán)投切方式,要求補(bǔ)償后功率因數(shù)不小于0.92,另外,為了抑制變頻空調(diào), 計(jì)算機(jī)等非線性設(shè)備帶來的諧波危害，本設(shè)計(jì)使用了抑制諧波的調(diào)諧電容電抗器組，以防止電網(wǎng)中諧波的放大，并保護(hù)電容器和其他用電設(shè)備，提高電能質(zhì)量。

　　3)三段母線的綜合效果為動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償及諧波濾波，供電可靠，互為備用。

　　2 .1系統(tǒng)構(gòu)成

　　包括主供電回路,濾波支路(5次，7次),TCR相控電抗器,其中主供電回路內(nèi)包括：高壓真空柜四臺，高壓PT柜一臺，高壓隔離柜一臺.

　　濾波支路(5次，7次)內(nèi)容包括：濾波電容器，濾波電抗器，保護(hù)裝置等。 無功補(bǔ)償裝置內(nèi)容包括:晶閘管,電抗器，電容器，自動(dòng)補(bǔ)償器，保護(hù)控制裝置等。TCR相控電抗器內(nèi)容包括:相控電抗器，控制器(配觸摸屏)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

　　2.2.1 1,2#母線上無源濾波，TCR系統(tǒng)的補(bǔ)償原理。

　　無源濾波，TCR系統(tǒng)由三部分組成：5.7次濾波回路，TCR相控電抗器，控制保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如下圖所示。無源濾波器這種補(bǔ)償方法既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單. TCR相控電抗器用于平衡系統(tǒng)中由于負(fù)荷的波動(dòng)所產(chǎn)生的感性無功功率。相控電抗器提供系統(tǒng)所需要的感性無功功率，穩(wěn)定負(fù)載沖擊所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，控制保護(hù)系統(tǒng)包括兩個(gè)方面：整個(gè)系統(tǒng)的控制保護(hù)，相控電抗器的調(diào)相保護(hù)。

　　TCR的基本結(jié)構(gòu):兩個(gè)反相并聯(lián)的晶閘管與一個(gè)電抗器相串聯(lián)，而三相多采用三角形聯(lián)結(jié)。

　　這樣的電路并聯(lián)到電網(wǎng)上，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的結(jié)構(gòu)。吸收諧波電流和無功功率隨著控制角的增加而減少，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)無功的目的。負(fù)荷的變化由T CR所產(chǎn)生的變化無功功率加以平衡，使得兩都之和總是維持為常數(shù)，此常數(shù)感性無功功率被濾波器容性無功相抵銷。5次基波補(bǔ)償容量為250，277kvar，7次基波補(bǔ)償容量為217，180kvar;可以實(shí)現(xiàn)0~494，431kvar連續(xù)動(dòng)態(tài)可調(diào),最終使電網(wǎng)的功率因數(shù)達(dá)到供電局標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　(1) 無源濾波器

　　濾波支路是在并聯(lián)電容器上串聯(lián)濾波電抗器構(gòu)成,根據(jù)負(fù)荷諧波含量的不同組成若干組不同的補(bǔ)償濾波支路，負(fù)載所產(chǎn)生的特征諧波主要是5，7次。

　　(2) TCR相控電抗器

　　三相接線采用三角型聯(lián)結(jié)，這種接線形式中的電流諧波含量小，電抗器的容量大于連續(xù)動(dòng)態(tài)可調(diào)值，分別是450kvar,500kvar.

　　2.3 3#母線去諧裝置無功補(bǔ)償原理。

　　電網(wǎng)和負(fù)載特性分析;負(fù)荷計(jì)算，補(bǔ)償容量確定;補(bǔ)償柜步級設(shè)計(jì);補(bǔ)償方案的確定(普通或動(dòng)態(tài)，有無電抗器);關(guān)鍵元器件選型;完成一次圖設(shè)計(jì)

　　按變壓器額定容量估算：

　　一般情況下，

　　可以按變壓器額定容量的20%~40%，做為系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘?

　　如2000KVA的變壓器，可以按30%來估算補(bǔ)償容量，

　　補(bǔ)償容量為Qc=600Kvar

　　補(bǔ)償后系統(tǒng)CosΦ2=0.97

　　去諧濾波器補(bǔ)償方案電抗率7% (或5.67% ) - 針對工業(yè)項(xiàng)目(5th以上諧波);去諧方案非常安全，可以滿足絕大多數(shù)項(xiàng)目的要求;已采用了去諧濾波器補(bǔ)償方案，雖然功率因數(shù)達(dá)標(biāo)，但諧波含量超標(biāo);可以考慮加有源濾波器的方案;采用接觸器投切方案(所謂的“慢速”補(bǔ)償);

　　針對頻繁變化的負(fù)載(如焊機(jī)、電梯、注塑機(jī)、吊車等)，采用晶閘管投切方案(所謂的“快速”實(shí)時(shí)補(bǔ)償)

　　補(bǔ)償柜內(nèi)幾部分構(gòu)成：熔斷器,電容器, 晶閘管,控制器，電抗器無源濾波裝置實(shí)際電抗器配比,串聯(lián)調(diào)諧電抗器在調(diào)諧頻率fh 處的配比計(jì)算XL /Xc=1/h2

　　XL為電抗器基波感抗;

　　Xc為電容器基波容抗;

　　h為諧波的次數(shù)

　　在低壓三相系統(tǒng)中，5次和7次諧波是最為嚴(yán)重的，去諧電容器被用于受諧波影響的電網(wǎng)的功率因數(shù)校正，此時(shí)由電力電容器和扼流器組成串聯(lián)諧振電路，調(diào)諧該電路的串聯(lián)諧振頻率使之低于電網(wǎng)最小諧振波頻率。對高于串聯(lián)諧振頻率的頻率串聯(lián)電路呈感性，這就避免了與電網(wǎng)電感發(fā)生諧振，根據(jù)所選擇的串聯(lián)諧振頻率，部分諧波電流可由去諧電力電容器吸收。剩余諧波電流則流入上級系統(tǒng)。去諧電力電容器有助于減少由諧波引起的電壓畸變并減輕對其它電子負(fù)載正常工作的干擾。

　　2.4無功補(bǔ)償及諧波濾波系統(tǒng)的容量計(jì)算。

　　(1)諧波計(jì)算理論依據(jù)

　　1)電動(dòng)機(jī)額定容量

　　Sn=(Sqrt(3)KuKiKtPdn/d

　　式中 Kuu-變壓器電壓計(jì)算系數(shù)，取1;

　　Ki-變壓器電流計(jì)算系數(shù),12脈沖取0.789;

　　Kt=電動(dòng)機(jī)過載倍數(shù)，取1;

　　Pdn-電動(dòng)機(jī)額定功率，KW;

　　2)諧波估算實(shí)側(cè)

　　12脈沖變流器

　　特征諧波電流含量 非特征諧波電流含量

　　根據(jù)實(shí)測總諧波畸變率THDi來確定補(bǔ)償電容器的參數(shù)，見表

　　THDi.S/Sn<5%標(biāo)準(zhǔn)電容器;5%<5THDi.S/Sn<10%電容器額定電壓增加10%;10%<5THDi.S/Sn<20%電容器額定電壓增加10%，并配置諧波抑制電抗器

　　注：1.Sn為變壓器視在功率。2.為變壓器副邊實(shí)測的視在功率(滿負(fù)荷且不帶電容器)。3

　　THDi為變壓器副邊實(shí)測的電流畸變率。

　　(2)補(bǔ)償容量的選擇

　　本無功補(bǔ)償及諧波濾波裝置的業(yè)主根據(jù)實(shí)測及同類設(shè)備經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。具體型號和參數(shù)由廠家內(nèi)部數(shù)據(jù)提供。國內(nèi)一般采用仿真軟件，目前在世界范圍內(nèi)廣泛采用.

　　補(bǔ)償和濾波裝置未投入運(yùn)行前可預(yù)知其運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)電力技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過調(diào)整可以設(shè)計(jì)出較為理想的無功補(bǔ)償及諧波濾波裝置,避免了盲目性，對裝置的設(shè)計(jì)質(zhì)量起到了保證作用。

　　1)1,2#母線調(diào)諧濾波系統(tǒng)

　　考慮到安全性，在不知道將來實(shí)際諧波的情況下，要慎重采用;極少數(shù)諧波非常嚴(yán)重的情況下，可以考慮采用調(diào)諧濾波器方案;裝置投入運(yùn)行后的平均功率因數(shù)按0.95計(jì)算,則裝置的技術(shù)參數(shù)選定如下：裝置名稱為TCR相控電抗器BKSG-500(450)//0.4,補(bǔ)償點(diǎn)在400V:裝置容量為無源濾波器705kvar,810kvar,TCR為492kvar,431kvar,

　　2)3#母線去諧濾波系統(tǒng)

　　采用單電容器補(bǔ)償方案(無去諧電抗器)，隨負(fù)載的更新?lián)Q代后，電容器損壞嚴(yán)重;

　　去諧方案中,電抗率7% 、5.67%、14%的區(qū)別, 裝置投入運(yùn)行后的平均功率因數(shù)按0.92計(jì)算,則裝置的技術(shù)參數(shù)選定如下:補(bǔ)償TSM-LC50 + B44066D7050S400+ 2×MKK525-D-40-01)+ EW-22總計(jì)16組控制器采用BR6000-T12,補(bǔ)償點(diǎn)額定電壓為400V，裝置容量為800kvar.

　　3)1,2#母線調(diào)諧裝置容量及產(chǎn)生高次諧波的電流值：

　　串聯(lián)型調(diào)諧電抗器配比計(jì)算。在調(diào)諧頻率Fh處：XL=XC/H2式中XL-電抗器基波感抗值;Xc-電容器基波容抗值;H理論調(diào)諧次數(shù)。

　　在確定電抗器容量時(shí)，應(yīng)使實(shí)際調(diào)諧頻率不于理論調(diào)諧頻率,以避免發(fā)生系統(tǒng)局部諧振。

　　系統(tǒng)諧振頻率計(jì)算。H=SCC/QC式中Q-電容器的額定容量(Mvar);Scc-母線短路容量(

　　MAV.A).補(bǔ)償容量的分組應(yīng)避開系統(tǒng)諧振點(diǎn)。電容器容量的增加，導(dǎo)致諧振頻率向低值偏移

　　;反之，系統(tǒng)短路容量的增加，見導(dǎo)致諧振頻率向高值偏移。

　　串聯(lián)調(diào)諧濾波器。由電容器和電抗器串聯(lián)而成，用于調(diào)諧較低次的諧波頻率處。該濾波器阻抗對較低處的諧波率呈容性，高阻抗，對較高次的諧波頻率呈感性，低阻抗，即在低于調(diào)諧頻率時(shí)呈高阻特性。用無源濾波器不能有效工作時(shí)，宜選用有源濾波器.

　　1#母線5次濾波支路450kvar,基波補(bǔ)償277kvar，7次濾波支路360kvar,基波補(bǔ)償217kvar，TCR500kvar,可實(shí)現(xiàn)0~494kvar;2母線5次濾波支路405kvar,基波補(bǔ)償250kvar，7次濾波支路300kvar,基波補(bǔ)償181kvar，TCR450kvar,可實(shí)現(xiàn)0~431kvar。

　　對于1,2#母線調(diào)諧濾波裝置安裝后效果十分明顯，諧波電壓總畸變,注入系統(tǒng)殘余諧波電流,400V母線電壓波動(dòng)，功率因數(shù)均能達(dá)到國標(biāo)要求。

　　(4)3段母線去諧裝置的效果對比

　　提高系統(tǒng)功率因數(shù);

　　_ 降低系統(tǒng)諧波電壓和電流的畸變;

　　_ 降低電能損耗，節(jié)省電費(fèi)，效果明顯;

　　近似相當(dāng)于節(jié)省一臺400KW的負(fù)荷用電;

　　按1元/ Kwh電費(fèi)估算，系統(tǒng)50%的使用率(包括峰谷電費(fèi)等因素);

　　一年可以節(jié)省電費(fèi)：

　　400KW×24h×30天×12月×1元/ Kwh ×0.5 = 172.8萬元;

　　不到半年就可以回收成本;

　　_ 穩(wěn)定生產(chǎn)供電;

　　_ 避免閃變;

　　_ 避免峰值負(fù)荷需求;

　　(5)控制系統(tǒng)

　　相控電抗器的調(diào)相控制及系統(tǒng)保護(hù)由控制器TBKB-Y/11-D-S-1(配觸摸屏)來實(shí)現(xiàn),去調(diào)濾波器的PFC由控制器BR600-T1 2控制器一般只有12路輸出，所以無論怎樣擴(kuò)展，回路數(shù)一般都不大于12路;

　　4. 比較常規(guī)的做法是采用主輔柜“聯(lián)動(dòng)”的方式，也就是說，主柜某回路接觸器的輔助觸點(diǎn)，去帶動(dòng)輔柜的一個(gè)回路，這樣一來，控制器的這一路輸出就是主柜一路加上輔柜聯(lián)動(dòng)的那一路;

　　3結(jié)論。

　　本人根據(jù)根據(jù)規(guī)范及相關(guān)電氣資料對工廠配電房無源濾波，去諧裝置的設(shè)計(jì)作了簡單介紹，國家經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，建筑業(yè)也生機(jī)勃勃，各類建筑千變?nèi)f化，但萬變不離其中，只有理解了規(guī)范，掌握了設(shè)計(jì)方法，結(jié)合實(shí)際情況來考慮，才能達(dá)到最理想的設(shè)計(jì)效果。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　2.《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052-2009 中國計(jì)劃出版社 中國聯(lián)合工程公司主編

　　3.《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJl6-2008 中國建筑工業(yè)出版社 中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院主編

　　4.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(第三版) 中國電力出版社 任元會主編