基于ETAP水泥廠配電諧波分析

高文富 劉艾明 蔣忠民

中材建設有限公司（100176）

0 引言

在水泥行業生產過程中，電力電子元件的設備（變速電動機控制器、晶閘管控制整流器等）被廣泛使用，因此在供電系統中造成了許多由諧波引發的問題。

主要存在以下問題∶

1）電流有效值增加，導致配電網過載。

2）單相負荷導致3次諧波增加，中性線過載。

3）發電機、變壓器和電機的過載、振蕩、過早老化，以及變壓器噪聲的增加。

4）功率因數校正電容器的過載及過早老化。

5）供電電源畸變所引起的對靈敏負荷的干擾。

6）對通信網絡和電話線的干擾。

諧波引起的主要經濟影響有∶

1）設備過早老化意味著，除非從開始就將它選的過大，否則很快就不得不更換這個設備。2）配電網過載，會需要更高的認購功率水平，損耗加大。3）電流波形畸變會引起誤跳閘，從而引起停產。4）導致電容器及電力電子元件（如變頻器）頻繁的故障，從而引起停產。

十多年前,諧波還不能真正的算作一個問題,因為它們對配電網的影響一般很小。但是，設備中引入大量電力電子元件使得工廠中配電網的諧波污染情況非常嚴重。因此必須對電網進行分析，進行有效的前期干預和采取必要的治理措施來消除諧波帶來的影響。為此，我們決定對選用先進的計算機軟件對水泥廠的整個電網進行分析，以便精確的掌握諧波分布及其帶來的影響。

此次選擇的ETAP電網分析軟件在全球關鍵領域如核電、煉油、化工等均有廣泛的應用。目前我公司承攬的大部分為全球高端水泥客戶的項目，國外業主對水泥生產線的可靠性要求非常高。在全線投產后，由于諧波所造成的電力設備損害和生產線停產不能被業主接受，如果發生的話，會給我們公司和業主帶來巨大的損失。因此必須將國際領先的電網分析軟件引入項目的設計中,實現精確分析，合理選型，提前預警以便采取相應的治理措施。

1 ETAP諧波分析

整理我公司FES項目的所有關鍵設備（如變壓器、電機、變頻器、電纜）的參數包括老廠的參數，在ETAP軟件中,根據電力系統的單線圖進行建模，輸入實際的電氣設備的參數，利用軟件的功能模塊進行模擬分析。從而得出諧波源所帶來的影響，并采取相應的措施來消除這些影響，例如∶調整電容器等設備的參數，改變接線的結構，必要時引入濾波器。

1.1 系統結構

我公司FES項目配電一次圖如下圖1所示。

該配電網絡的運行方式有以下三種∶

形式1∶兩路60 KV進線通過三臺60 KV/5.5 KV的主變給全廠供電。即主開關的狀態為∶E11-1SC閉合、E11-1SD閉合、E11-1SG閉合,則60 KV側母線短路電流為7 KA，X/R=2.164。

形式2∶一路60 KV進線通過E11-1SC開關及三臺60 KV/5.5 KV的主變給全廠供電。即主開關狀態為∶E11-1SC閉合、E11-1SG閉合、E11-1SD斷開，則60 KV側短路電流值為3.5 KA，X/R=2.164。

形式3∶一路60 KV進線通過E11-1SD開關及三臺60 KV/5.5 KV的主變給全廠供電。即主開關狀態為∶E11-1SD閉合、E11-1SG閉合、E11-1SC斷開，則60 KV側短路電流值為3.5 KA，X/R=2.164。

5.5 KV側的母線聯絡均視為打開。為了顯示60 KV電源側的諧波電流畸變值，因此在每一路60 KV主進回路虛擬了一個小的阻抗，阻抗值Z為0.001 Ω。

1.2 負載率及諧波源參數

負載率的水平定義如下∶

1）中壓電機拖動的磨機∶90%

2）中壓電機拖動的風機及破碎機∶80%3）窯主傳∶50%

4）所有的低壓MCC拖動的電機∶75%

5）同期系數選擇1

下面僅以ABB ACS800變頻器來說明諧波源參數的整理。如高溫風機變頻器型號為ACS800-07-1160-7 12-pulse rectifier，并綜合ETAP軟件諧波源庫的資料及從ABB得到的諧波參數,定義以下諧波源的主要參數。ACS800變頻器的諧波電流波形如圖4所示，頻譜如圖5所示。

1.3 需達到的諧波治理標準

需滿足規范IEEE519-1992(電力網絡中關于諧波的要求)，如圖2、圖3所示。

1.4 ETAP諧波分析結果

僅列出正常操作模式下的分析報告。

60 KV母線側阻抗曲線觀測如圖6所示。60 KV母線側諧波頻譜觀測如圖7所示。60 KV側波形觀察如圖8所示。

由于系統中變頻器的使用，諧波電流相應的產生，主要存在于5次、7次、11次、及13次。通過頻率掃描，可以看出在200 Hz處，諧波電流所對應的阻抗有一個明顯的下降。對于5次及以下諧波，諧波電流所對應的阻抗通道可以接受。200 Hz頻率點附近可能的諧振點超出了諧波頻譜的范圍，因此可以避免諧波的放大。

在正常操作模式下,5.5 KV母線側最大的VTHD為1.82%，產生于3P1-1S1母線。在0.4 KV母線側，最大的VTHD值為2.54%。兩路60 KV進線的VTHD為0.34%。以上各值都沒有超IEEE519-1992中所規定的標準值。

2 工程應用效果

在我公司承攬的項目中,以國外項目居多，而國外業主對諧波值的要求越來越嚴格。因此，應用新技術對滿足國內外水泥行業的需求都是非常必要的，使用ETAP軟件可以指導設計，避免選型偏差，避免后期調試運行及正常生產中諧波對于電氣設備的影響，可以提高工廠運行可靠性。

3 總結

ETAP軟件需要組織大量的人員培訓,直接或間接的增加了項目操作的成本。

只有完整精確的獲取電網中各個主要電氣的技術參數，才能精確的建模，分析結果才是可靠的。因此，需要耗費比較大的精力去搜集工廠中電氣設備的參數，尤其是對于擴建項目，獲取老廠已有設備的參數難度比較大。

[1]曹立威.SPWM諧波分析的一般方法[J].電力電子技術,2002.

[2]張靜.諧波鎖模光纖激光器脈沖振幅數值分析[M].

[3]ETAP幫助開發手冊[M].