電解鋁整流供電系統中的無功補償及高次諧波的抑制

郭宏芳,張傳斌,梁永平

（青海橋頭鋁電有限公司,青海西寧 810100）

電解鋁整流供電系統中的無功補償及高次諧波的抑制

郭宏芳,張傳斌,梁永平

（青海橋頭鋁電有限公司,青海西寧 810100）

節約能源,必須對電能質量進行提高,而提高電能質量的有效措施即為提高功率因數,加裝濾波補償裝置進行有效的無功補償和消除諧波危害.

由于一些大的用電單位對電網的供電質量造成不同程度的影響,產生大量的各種諧波分量,直接影響電網的供電質量.一個大型的電解鋁企業,其整流供電的功率因數一旦低于 0.9,則直接使設備的輸出功率降低,設備的絕緣發熱老化,效率降低,另外也給電網增加了負擔,降低了電網的輸電能力,所以加裝濾波補償裝置是電解鋁整流供電刻不容緩的一項舉措.

1 濾波補償裝置濾波器的工作原理

濾波器是制定一個與所產生諧波的諧波源大小相等,相位相反的諧振電路,使各次諧波很容易的通過的回路,是對不同種類的設備所產生的諧波進行濾除,對無功功率進行補償的裝置.

由于電網供電電壓并非理想的正弦波,而整流供電二極管的單向導電作用,在正反向電壓作用下,其阻值迥然不同,因而整流裝置從交流電力系統取的電流也是非正弦波的,這種非正弦交流波形根據系統參數,整流裝置相數,接線和運行條件的不同而發生很大畸變,將這些電流按傅立葉級數可分為基波及一系列不同頻率和振幅的諧波（一般為 12K ±1,其中 K為自然數 1、2、3……,對電網危害最大的為 27、29等高次諧波）,而產生的這些諧波危害極大,主要為:

（1）直接危害用電設備的絕緣,降低電氣設備的使用壽命;

（2）產生嚴重的電壓波動,使三相不平蘅,容易使電容器擊穿;

（3）諧波可以使繼電保護發生誤動作,造成巨大的經濟損失;

（4）諧波所產生的電壓閃變,對高精度電子設備產生極大的影響;

（5）諧波對人體也產生較大的危害.

2 高次諧波的抑制

將三相橋式電路的脈動數從 6提高到 12,可消除 5次、7次諧波.將多個諧波源接于同一段母線,利用諧波的相互補償作用也可降低電網諧波含量.

當諧波量超出規程允許值或者電網在諧波范圍內有諧振時,通常設置單調諧濾波器吸收特征諧波.對于 13次及以上的高次諧波,可設置一個高通濾波器.濾波回路也會吸收電網原有諧波并可能導致過負荷.一般通過調整失諧率,降低品質因數或者通過附加電子裝置控制電流值來避免過負荷.電容器可通過串聯電抗器形成諧波阻塞回路,以防止電容器諧波過負荷,一般將串聯諧振頻率定在 250 Hz以下.

3 電感調節

濾波裝置的電感調節后不會改變,而在運行當中,電容值會發生變化,所以必須根據其諧振點去調試 （XL=KXc,其中 K為調諧系數取 1.03,不平衡度≤2%）所以在計算時,先測出電容實際值,根據公式 Xc=1/2ПfC得出 Xc值,可根據 XL=KXc再依據公式 XL=2ПfL反推出 L值.

某供電整流所 1#～4#機組諧波調諧數據如表 1～表 4:

表 1 1#機組諧波調諧數據

表 2 2#機組諧波調諧數據

表 3 3#機組諧波調諧數據

表 4 4#機組諧波調諧數據

4 電網中含有諧波情況下的無功補償

4.1 對諧波源負載的補償

在 5次諧波頻率下電網具有諧振,并聯阻抗Xp大大升高,由諧波源發出的 5次諧波電流流入諧振回路后,會產生很高的諧波電壓,諧波電壓疊加在基波電壓上,導致電壓波形發生畸變.在電網和電容器之間流動的平衡電流可達諧波源發出的電流的數倍,即諧波放大,此時變壓器和電容器承受大于正常情況的負荷,特別是電容器,長期運行于過負荷狀態,加速絕緣老化,甚至擊穿爆炸.可以根據電網阻抗和電容器容抗預先計算出并聯諧振頻率,調整電容器容量配置,使并聯諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離,避免諧波放大.但是實際的電網阻抗不為常數,而時常處于不斷變化之中,很難完全避開諧振,特別當電容器分組調節運行時,情況更為復雜.

當需要對接有諧波源設備的電網進行補償時,必須采取技術措施,將并聯諧振點移到安全位置,而實踐證明最可靠的方法就是在電容器回路中串聯電抗器.

4.2 電容器回路串電抗

電容器串電抗后形成一個串聯諧振回路,在諧振頻率下呈現出很低的阻抗 （理論上為 0）.如果串聯諧振頻率與電網特征諧波頻率一致,則成為純濾波回路.如果只吸收少量諧波,則稱為失諧濾波回路.

失諧波回路的主要用途是防止諧波放大,濾波效果不大,回路串聯諧振頻率通常低于電網的最低次特征諧波頻率,即設定為基波頻率的 3.8～4.2倍.

工程計算公式為:

電抗器電抗 XL=電容器容抗 Xc的百分比 （X%）或者:電抗器功率 QL=電容器基波容量 QC的百分比（X%）

電抗器電抗或容量一般為電容器容抗或容量的 6%～7%.在選擇 X=6%時,諧振次數為 V=4.08.

失諧濾波回路只吸收少量 5次及以上的諧波,諧波源產生的諧波的大部分流入電網,電容器容量根據預計達到的功率因數值確定.

純濾波回路的主要用途是吸收諧波,同時補償基波無功功率.

在串聯諧振狀態下,濾波回路的合成阻抗 Xs接近于 0,因此可對相關諧波形成“短路”.

在諧振頻率以下濾波回路呈容性,因此能夠輸出容性基波無功功率以補償感性無功功率.在諧振頻率以上濾波回路呈感性.

由于濾波回路在諧振點以下呈容性,所以在其特征頻率以下又與電網電感形成并聯諧振回路.如果在這個頻率范圍內沒有特征諧波,則并聯諧振對電網不會產生危害.

當電容器采用△形接線,則濾波回路的諧振頻率一般設定為特征諧波頻率的 96%～98%,以便平衡電網的頻率波動和環境溫度變化引起的電容量的改變,濾波回路除了輸出基波無功功率外,還要承受諧波負荷,多個不同諧振頻率的濾波器在兩個過 0點間會出現一個并聯諧振點.

4.3 濾波回路的無功功率調節

由于濾波回路的主要任務是吸收電網諧波,所以限制了對基波無功功率進行調節的靈活性,只能對各個回路進行投切,投入的順序為從低次到高次,切除的順序為從高次到低次.對于容量較大的補償濾波裝置,可以采取純濾波回路和失諧濾波回路結合的方法,即純濾波回路固定運行,補償基本負荷,失諧濾波回路作為調節運行.

如果兩個同次濾波回路中的一個在特征諧波頻率下呈感性,另一個呈容性,則會產生并聯諧振,使諧波放大.

如果經過經濟技術比較需要采用并聯方式,可以將兩個支路均調為在特征諧波頻率下呈感性,即ωr<（v×ωl）,各支路電阻接近,可以較好解決電流分配問題,但是濾波效果要降低.

如果既要吸收諧波,又要保持調節的靈活性,可以采用并聯支路的方式,即若干個同次濾波回路同時接入電網,各支路的電容同時并聯,形成一個總的濾波回路,調節時可以投切其中的一個或多個并聯支路.這種方式不會出現支路間的并聯諧振,同時提高了濾波效果.除了對電容器分組調節以外,對于負載波動頻繁的場合,采用動態補償及濾波裝置是最佳的解決方案.

4.4 濾波回路的選擇

選擇濾波回路有以下兩個原則:

（1）主要用于吸收諧波,降低電網電壓畸變,基波無功補償居次要位置.

（2）提高電網功率因數,同時吸收諧波,電容器容量按無功補償的要求配置.

整流供電所所用的濾波補償裝置共計四套,每臺整流變安裝一套,掛接在整流調壓變壓器補償繞組側,每套濾波裝置由三條濾波支路組成,分別為 5、7次和 11次單調諧濾波器,其中 5、11次濾波器安裝容量為10 800 kV·A,7次濾波器容量為7 200 kV·A.所用電容裝置型號為 TALA 20型,并采用雙星形不平衡電流保護方式,其電氣接線原理如圖 1所示:

圖 1 濾波補償裝置電氣接線原理圖

5 濾波補償裝置的保護

為使濾波補償裝置安全運行,防止事故的擴大,影響電網的正常運行,濾波補償裝置一般設置了多種保護措施,其保護方式如下:

（1）母線過電壓、欠電壓保護、濾波支路過流、速斷與中性點不平衡電流保護——跳閘;

（2）單臺電容器內熔絲保護;

（3）氧化性避雷器保護——各濾波支路進線和中性點對地設氧化性避雷器;

（4）過電壓吸收器保護——濾波器總進線斷路器出線端設置過電壓吸收保護,可有效限制操作過電壓.

6 結束語

本次課題只是初步完成了怎樣進行電解鋁整流供電系統中的無功補償及高次諧波的消除.要達到良好的無功補償及高次諧波的消除,還需要我們大家共同的探討和分析.

A

1671-6620（2010）S1-0124-04