玉環(huán)配電網(wǎng)諧波測量分析與治理方案研究

王亞兵

（玉環(huán)縣供電局，浙江 玉環(huán) 317600）

浙江玉環(huán)大量工業(yè)企業(yè)有中頻爐、高頻爐、電弧爐、整流設(shè)備等非線性負(fù)荷，這類負(fù)荷比較集中，配電網(wǎng)中諧波電流較大，電能質(zhì)量較差。根據(jù)近年來供電局對諧波的監(jiān)測結(jié)果，大部分有非線性負(fù)荷的用戶諧波含量己經(jīng)超標(biāo)，35 kV用戶變電所曾多次出現(xiàn)并聯(lián)電容器發(fā)生鼓肚燒毀的事故。

通過對玉環(huán)配電網(wǎng)諧波的普測，包括負(fù)荷調(diào)查、現(xiàn)場測試分析，根據(jù)測量分析結(jié)果提出相應(yīng)的諧波治理方案。

1 諧波測量方法

依據(jù)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，針對現(xiàn)場情況提出了具體的測試方案。

（1）測量信號的抽取：電壓信號取自線路測量TV的二次回路；電流信號取自被測線路測量TA的二次回路。

（2）測量儀器的設(shè)置：用FLUKE1760電能質(zhì)量分析儀測量；將儀器設(shè)置為自動定時測量方式，每2次測量間隔為10 min，設(shè)置諧波次數(shù)為2～25次，進行超過1天的連續(xù)諧波測量。

（3）數(shù)據(jù)處理方法：利用儀器的后臺分析功能，對定時測量的存盤數(shù)據(jù)文件作統(tǒng)計分析，得到電流電壓瞬時值，電流電壓總畸變率，各次諧波電流電壓的95%概率值、最大值、最小值和平均值，并以最大相的95%概率值作為最終測量結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)的限值或允許值比較來確定諧波電流是否超標(biāo)。

（4）測量對象的選擇∶測量35 kV主要變電所，選擇有代表性的單位、企業(yè)進行。

2 玉環(huán)配電網(wǎng)諧波實測數(shù)據(jù)

2.1 變電所側(cè)測量

玉環(huán)縣現(xiàn)共有12座35 kV變電所，從測量結(jié)果分析，存在以下問題：

（1）變電所存在3次諧波電壓含有率、電壓總畸變率超標(biāo)的情況。變電所3次諧波電壓超標(biāo)是由于變壓器飽和、單相整流負(fù)載引起的，電容器組的投入也有可能引起了3次諧波的諧振放大。雖然大多數(shù)配電變壓器是D-Y接法，在三相對稱的情況下可抑制3次諧波，但是實際用戶常常出現(xiàn)三相不對稱的情況，無法抑制3次諧波，這一點在用戶測量時得到確認(rèn)。另外，應(yīng)注意測量變電所3次諧波與互感器的接法有關(guān)，電壓互感器的消諧電阻會使3次諧波電壓測量值放大，而不一定是高壓側(cè)含有較高的3次諧波電壓。

（2）3， 5， 7次諧波電流較大。 用戶側(cè) 5， 7，11，13次諧波電流超標(biāo)，變電所側(cè)5，7，11，13次諧波電流不超標(biāo)，主要是與配電變的容量與系統(tǒng)容量比有關(guān)，配電變?nèi)萘吭叫』蛳到y(tǒng)容量越大，則抑制5～13次奇次諧波能力越強。

（3）其中有 2個變電所還存在 14，16，18，19～25高次諧波電流超標(biāo)的情況。經(jīng)過測量數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)變電所供電用戶的主要用電設(shè)備為感化爐、電弧爐，會產(chǎn)生偶次諧波，導(dǎo)致變電所偶次諧波超標(biāo)。

2.2 用戶側(cè)測量

測量結(jié)果表明，電鍍、機械類企業(yè)主要用電設(shè)備是6脈動整流設(shè)備，存在5，7，11，13，17，19，23次特征諧波超標(biāo)的情況，較大的諧波電流導(dǎo)致諧波電壓超標(biāo)嚴(yán)重。出現(xiàn)的非特征諧波是由于三相不對稱引起的，三相對稱和不對稱不太嚴(yán)重時產(chǎn)生特征諧波，不對稱嚴(yán)重時產(chǎn)生非特征諧波的。有些企業(yè)偶次諧波電流不合格，主要原因是感應(yīng)爐、轉(zhuǎn)爐、電弧爐等設(shè)備的交流電正負(fù)半周換相，石墨電極和鋼交替作陰極和陽極，因不同材料的發(fā)射電子能力不一樣，故使電流的正負(fù)兩個半周的波形不對稱，造成偶次諧波超標(biāo)。

閥門類企業(yè)不存在諧波問題，但短時間閃變和長時間閃變不合格，這是由于電動機等沖擊性負(fù)荷引起的。醫(yī)院的諧波合格，但奇次諧波含量較大。政府機關(guān)的諧波電壓和諧波電流均合格；其中2，3次諧波電流偏大。中學(xué)的A相諧波電流超標(biāo)，電流明顯過載，而其它相電流較小，認(rèn)為可能諧波源集中接在A相，三相不平衡電流導(dǎo)致A相各次諧波電流超標(biāo)，諧波負(fù)荷可能為計算機、變頻空調(diào)等。小區(qū)、酒店的諧波基本合格。

通過諧波測量分析，掌握了玉環(huán)配電網(wǎng)的諧波源的特點，其中，變電所3次諧波電壓超標(biāo)；企業(yè)的諧波超標(biāo)較為嚴(yán)重，尤其是電鍍、機械類企業(yè)，負(fù)荷以整流設(shè)備為主，主要是奇次諧波電流超標(biāo)，但也存在三相不對稱或非特征諧波及偶次諧波等情況。

3 典型諧波源治理方案

根據(jù)電網(wǎng)諧波治理與無功補償?shù)囊螅Y(jié)合諧波普測中所分析得出的玉環(huán)配電網(wǎng)諧波源的特點和企業(yè)不同的經(jīng)濟狀況，決定對玉環(huán)環(huán)城發(fā)動機附件廠及環(huán)城發(fā)動機附件二廠分別采用不同的方案進行諧波治理。

3.1 無源濾波器方案

玉環(huán)環(huán)城發(fā)動機附件二廠采用的是無源濾波器方案，分別設(shè)計二路濾波支路，一次原理接線圖如圖1所示。無源濾波器安裝容量：5次濾波支路為300 kvar；5次調(diào)諧濾波支路為60 kvar；7次濾波支路為210 kvar；7次調(diào)諧濾波支路為30 kvar。

圖1 無源濾波器一次原理接線圖

無源濾波器設(shè)計時，考慮產(chǎn)業(yè)群集中在一個工業(yè)園區(qū)或地理位置比較接近的區(qū)域范圍內(nèi)，這樣的產(chǎn)業(yè)布局使非線性負(fù)載非常集中，負(fù)荷變化較大，對電網(wǎng)沖擊較為嚴(yán)重。讓所有產(chǎn)生諧波的企業(yè)同時進行諧波治理是不現(xiàn)實的，而進行單點諧波治理又會遇到以下問題：當(dāng)某一諧波源企業(yè)的無源濾波裝置投入運行時，附近企業(yè)的非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流由于該無源濾波裝置的低阻抗而流入該裝置；當(dāng)流入的諧波電流超過設(shè)計的容量時，無源濾波裝置就會過載而發(fā)熱，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致裝置損壞。如果該無源濾波裝置安裝在用戶配電變壓器的低壓側(cè)，則背景諧波電流會流過用戶配電變壓器從而導(dǎo)致用戶配電變壓器損耗增大、壽命降低甚至損壞。

在這種情況下，采用無源智能調(diào)諧濾波裝置對濾波支路和調(diào)諧支路進行投切控制。控制器實時檢測濾波器支路的諧波電流，當(dāng)諧波電流在一定時間內(nèi)連續(xù)超過設(shè)計的額定值時，調(diào)偏該次濾波器的諧振頻率，增大該次諧波的阻抗，從而阻止背景諧波電流的流入；如果附近廠家不斷投入生產(chǎn)，背景諧波電流持續(xù)增加，當(dāng)諧波電流達(dá)到保護設(shè)定值時，控制器就會切除該次及更高次濾波器支路，以保護無源濾波裝置和用戶變壓器。

需要指出的是7次濾波器同時也濾除大部分9次以上的諧波電流。

濾波器為單調(diào)諧L-C型濾波器。電抗器和電容器組的參數(shù)均根據(jù)系統(tǒng)過壓和濾波器出廠參數(shù)誤差的極限值情況計算得出，因此足以保證系統(tǒng)可靠性和延長濾波系統(tǒng)的使用壽命。

經(jīng)過仿真計算，可清楚地比對出治理前后的效果（見圖2）。治理方案實施后的實測結(jié)果如表1所示。

3.2 混合有源濾波器方案

圖2 治理前后諧波含量對照

玉環(huán)縣環(huán)城發(fā)動機附件廠采用混合有源濾波器方案，其中1號變壓器的總?cè)萘繛?00 kVA，其負(fù)載的功率因數(shù)在0.83左右，要使功率因數(shù)達(dá)到0.93以上，變壓器的無功補償安裝容量為250 kvar。新裝TSC無功補償裝置具有抑制諧波放大的功能，并能在一定程度上濾除少量諧波。

鑒于安裝TSC無功補償裝置以后，主要的5次諧波還是嚴(yán)重超過國標(biāo)，所以考慮再安裝1套150 A的有源濾波裝置（APF），其中混合有源濾波器開關(guān)損耗非常低，抗干擾能力強。一次原理接線圖如圖3所示。

圖3 諧波治理方案一次原理接線圖

表1 400 kVA變壓器濾波前后諧波電流含量對比

經(jīng)過仿真計算，可清楚地比對出治理前后的效果（見圖4），治理方案實施后的實測結(jié)果見表2。

4 諧波治理效果分析

在安裝濾波器后，用戶的諧波電流各次特征電流諧波含有率有了明顯的降低，均已符合國家的有關(guān)規(guī)定要求。尤其是加裝混合有源濾波器后，其效果更為明顯。

圖4 治理前后諧波含量對照

表2 500 kVA變壓器濾波前后諧波電流含量對比

由治理方案實施前后對比中可以得出，無源濾波在濾波后雖然也能達(dá)到國家規(guī)定的有關(guān)要求，但其濾波效果與混合有源濾波相比效果較差。而混合有源濾波效果則相對較好，濾波后電流波形已接近于正弦波形，并且即使以后企業(yè)設(shè)備負(fù)荷有變化對濾波效果影響也不大，但其價格也相對較高，這也是混合有源濾波難以在企業(yè)用戶大范圍推廣的原因。

兩個試點企業(yè)在治理方案實施后還取得了良好的經(jīng)濟效益，主要表現(xiàn)在兩方面，一是因為功率因數(shù)提高而節(jié)約了費用；二是因為線損降低而節(jié)約了電費支出。濾波補償裝置投入運行后，每月平均功率因數(shù)將達(dá)到0.93以上，功率因數(shù)調(diào)整費變罰為獎，因此供電部門每月獎勵4 000元以上，與以前功率因數(shù)低于0.9而被每月罰款3 000元相比可節(jié)約費用7 000元以上，每年則可節(jié)約8.4萬元以上。

諧波治理裝置投運后，不僅降低用電設(shè)備的損耗，而且使高低壓側(cè)電流減少，線損率、主變銅損及上一級輸電線路的線損降低。采用無功功率補償經(jīng)濟當(dāng)量來估算無功功率補償后的節(jié)電量，濾波器組實際補償容量為200 kvar左右，由于企業(yè)大多晚上22∶00開工，次日早晨8∶00停工，因此按每天工作10 h計算，無功功率補償經(jīng)濟當(dāng)量取0.05，則每年可節(jié)省電能36 500 kW·h。若每kW·h電價按電力公司近來的平均電價0.6元計算，每年節(jié)約電費2.19萬元。

5 結(jié)語

針對供電用戶的實際情況，制定了低壓無源濾波和混合有源濾波二套方案，根據(jù)非線性負(fù)荷比較集中的情況，又提出了智能調(diào)諧方案，提高了無源濾波器的使用壽命。試運行3個月效果良好，諧波治理后電網(wǎng)電能質(zhì)量滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。證明諧波治理方案是可行的，為玉環(huán)配電網(wǎng)的諧波治理提供了良好的借鑒模式。

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