冶金軋鋼行業中整流裝置對電網干擾的綜合治理方案

常領+楊軍輝+劉玉輝

摘 要：諧波負荷在冶金軋鋼行業中有其比較特殊的性質——特征諧波與非特征諧波并存，并且含量較大，設備自身的問題也摻雜其中，單個裝置濾波不能有效解決問題，所以需要綜合考慮治理方案，才能將諧波治理好，取得良好效果。一方面，首先改變整流變壓器的接線方式，再用裝置對其整流；另一方面對35kV電網采用動補加濾波方式，使35kV電網達到國家使用標準。同時也介紹了最新的一些減少諧波的方式方法，通過綜合的治理方案將摻雜入系統的諧波控制在國家標準允許范圍以內，使電網供電優質、可靠。

關鍵詞：35KV；諧波；方案

中圖分類號：TF305 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0076-02

1 關于諧波

諧波為基于正常電網基波頻率（工頻：國內為50Hz）上的整數倍的正弦分量，所有諧波疊加后則造成畸變的周期性非正弦波形。

1.1 諧波的來源

諧波是由非線性負載所造成，對冶金企業而言，變流裝置（可控硅直流傳動、變頻器交流傳動，電弧爐等）都是諧波源。

隨著現代工業技術的發展，這種非線性負載的使用越來越大，在產生巨大經濟效益的同時，諧波對電網污染也更加嚴重。

整流裝置本身可產生非特征高次諧波。通常情況下，由于三相對稱供電系統中，回路為三相對稱，整流裝置中可控硅不同的觸發角、器件存在的特性差異都是非特征高次諧波的產生的主要原因，通過控制回路的改變及不合格可控硅的調整及更換，可基本消除非特征高次諧波中的2、3、4、6次等諧波。（將模擬控制器改為計算機控制器）。

1.2 諧波的危害

大量諧波電流易使一般補償電容和系統產生并聯諧振，從而使諧波電流放大，導致電容器過載或損壞。這已在很多工廠中發生并不鮮見。

諧波電流也使電力變壓器、電纜、電動機附加損耗大大增加、溫升上升、加速絕緣老化，縮短設備壽命，這種損失是隱含的，一時不易被人覺察，但實實在在存在著。

諧波會使控制裝置，就像智能型直流模塊，可編程控制器（PLC）工作不正常，破壞了自動化生產的正常進行。

總之，嚴重污染電網的主要是整流裝置的交流側諧波。這些交流諧波危害嚴重，主要體現在：（1）影響與其并聯的晶閘管裝置并對弱電系統進行干擾；（2）降低發電機的容許負荷；

（3）增大變壓器的功率損失，增高噪聲；（4）使電氣設備不正常發熱；（5）引起交流電容器過載；（6）使感應電動機出現周期性變化的轉速，引起功率損失增加（銅損、鐵損）；（7）降級互感器的精確度；（8）影響電子計算機的正常工作。

2 諧波的治理

目前常用的減少諧波措施是在整流裝置中增加等效相數、安裝濾波裝置、增加電源短路容量。近年成功研究的新措施是磁通補償法、諧波注入法、諧波回送法、安裝有源濾波器等方法。

從諧波源著手：盡量使該設備減少產生諧波，現在常用的電平整流逆變技術，多脈波（如十二相）整流技術等。使諧波電流中的5、7次諧波基本消除就是等效十二脈波整流的結果。

對現有諧波進行吸收治理：把諧波進行濾波吸收，從而使電網系統受其影響減到最小。

濾波裝置中有有源濾波裝置及無源濾波裝置二類，而無源濾波中，又可分有動態補償濾波及非動態補償濾波。

綜合治理方案如下：

（1）在整流裝置中增加等效相數

減少諧波含量的方法中，在整流裝置中增加等效相數是有效的。人為干預改變整流器中各同名相電壓的相位移，可使諧波減少，即等效多相制。使各同名相電壓形成N個相量組成的系統（N-整流器組的數目），它們彼此之間的相位移均為360°/PN（P-脈波數），而所有整流器組的全部電壓形成多個相量組成的對稱多相系統，它們彼此之間的相位移也是360°/PN和PN相整流時二次電壓間的相位移相等。因此，在等效PN相制的情況下，整流電壓及一次電流的波形與PN相整流電路相同，其所含諧波分量大大減少。

例如，兩臺六脈波整流器的相電壓之間的相位移為30°時，則整流站整流電壓與一次電流的波形將和十二脈波整流電路一樣，也就是說，他們已形成等效十二相制。

等效多相制的實現，可采用下列各種方法：

a.講移相變壓器接在主變壓器的前端。此情況下，電網電壓與移相變壓器二次電壓之相量和與加于主變壓器的電壓等于。移相變壓器二次電壓與電網電壓間的相互關系由加于主變壓器的合成電壓的相移角決定。移相變壓器的其輸出電壓與功率成正比。

b.如果主變壓器之前接有調整自耦變壓器，可將自耦變壓器的勵磁線圈進行曲折形接法，使主變壓器一次電壓的相位移動所需的角度，這樣就可以達到移相變壓器同樣的效果。

c.將整流站內一部分主變壓器一次線圈接成三角形，而

將另一部分主變壓器的一次線圈接成三相星形（或一臺主變壓器具有兩只二次線圈，一只接成三角形，而另一只接成三相星形），使這兩類主變壓器的一次電流間（或兩只二次線圈間）的相移角為30°，這樣就可以使整流站的供電線路形成等效多相制。這個方法可以單獨應用，也可以和上述方法聯合應用。

d.將主變壓器的二次線圈接成曲折形，使二次相電壓的相位有的向前移動，有的向后移動，形成等效多相制。

在等效多相制的情況下，并聯運行的整流器組之間將有平衡電流通過，這是因為這些整流器組的整流電壓曲線并不重合，它們的脈振在時間上是不一致的。平衡電流的頻率等于這些脈振的頻率，當它與整流臂工作電流疊加在一起時，可使整流臂的負擔加強，并會產生額外的功率損失，所以必須設法限制它。最有效的辦法是采用平衡電抗器或陰極電抗器。但當使用大容量三線圈整流變壓器（二次為△、Y雙繞組）時，只要△與Y繞組間的漏抗設計得足夠大，就可省去平衡電抗器，效果同樣能達到。endprint

（2）給主傳動供電的35kV電網提供無功補償裝置，采用動補加濾波方式，使35kV電網達到國家使用標準。根據熱軋負載為感性的主要特點，動態補償采用SVC（靜止型動態無功補償裝置）無功補償方案，選用可靠、先進、實用的TCR型動態無功補償裝置，全數字控制系統。

此套濾波裝置包括4只濾波器，其中主要是奇次單調諧固定式濾波器。主要將3、5、7、11諧波進行濾波處理，在此套系統中如果出現偶次諧波電流，只要數量不大，奇次濾波器就可對其起到濾波作用，并將其調諧至特定諧波。

高通濾波器主要濾除高次諧波（例如17、19、23、25、……次），這些諧波幅值較小。在公司此套系統中未使用。

（3）將電源短路容量加大

減少電網污染最為有效的方法是增加電網短路容量與整流裝置網側視在功率之比。升高整流裝置電源電壓也有一定效果。

（4）補償磁通

即補償鐵芯中的諧波磁通，用以抵消諧波電流，方法是將一電流互感器接入變壓器二次側，將處理后的諧波電流經過放大后，送往整流變壓器，使其產生反向諧波電流。

此方法優點在于如補償完全的情況下，可抵消掉全部諧波電流，還可抵消部分非特征諧波。補償裝置中需要配大功率放大器是其最大缺陷。

此法在自飽和靜止無功補償裝置上應用較多，也應用在部分小容量整流設備中，在其整流裝置中加入濾波裝置將取得更好的效果。

（5）加入諧波

在整流電路中加入新的諧波電流，使其波形發生變化，進而起到治理諧波的作用。諧波因平波電抗器的作用不會講諧波引入負荷回路中。

這種方法的優點在于設計時不用考慮系統阻抗，缺點在于加入的諧波必須與電力系統同步，并且必須可以自動調節加入諧波電流的相位及幅值等。這種方法缺點明顯，因此應用并不廣泛。

（6）回送諧波

即使變壓器二次側中性點與整流電路中的正、負極之間形成三脈波整流電壓，這就要求整流變壓器的一次側必須是角接，二次側必須是星接。這樣在三脈波整流電壓中就含有三次諧波，并且這些諧波將附加于變壓器一次線圈上。變壓器二次線圈與整流器組成三倍全波整流器，交流輸出端電流即為三次回送諧波電流，呈現為矩形三倍頻波形，輸入端與六脈整流電路串聯。

此法應用交廣。因其諧波源與供電電源可自然同步，多應用于整理器和逆變器，也可用于大、中容量變流設備上。

（7）安裝有源濾波器

有源濾波器：如ALF有源濾波器，其工作方式為用二個電流/電壓互感器得到的電子設備記錄獲得了實際的電流曲線。其采樣頻率以平均10kHz頻率來采樣。依據采樣值的大小，通過IGBT橋式電路和注入線圈將一移相180°的電流注入電網，即一個正值被一個負值抵消掉了，一般有源濾波器連在諧波發生源附近。從有源濾波器連接點處至電網的源頭部分的諧波分量便被消除了。

有源濾波的優點：

a.諧波電流的三相補償

b.對存在的電容或電感無諧振發生

c.對載波控制系統無沖擊

d.良好的濾波效果

但其最大的缺點：

a.高技術水平高造價高投入費用。

b.對功率因素補償無效

（8）安裝無源濾波器

無源濾波器：通常用LC串聯諧振電路組成濾波器，主要利用串聯諧振針對某次諧波頻率對應阻抗降至極小（其大小和LC回路的品質因素及諧振點有關），從而把對應諧波電流引入回路而最大限度減小了對電網的污染。

考慮到某些設備投入或切出時無功電流的巨大變化，無源濾波中又有動態靜止型補償裝置，就像SVC補償裝置，它能在20ms內迅速作出響應，改變無功量，保證受電設備處電網功率因素穩定及電壓的穩定，這對由于大負荷變化形成的電網電壓不穩及閃爍現象起了根本性的改善作用。絕大多數軋鋼廠廣泛使用無源非動態靜止型濾波補償裝置，它也是采用LC濾波，是較早出現的一種較為成熟的抑制供電系統中諧波的濾波技術。其結構較簡單，設備投入少，運行可靠性高，運行費用低。

3 結束語

經長期測量及專家建議，我公司最終確立了明確的治理方案。

（1）改變整流變壓器的接線方式，再用裝置對其整流。

（2）對35kV電網采用動態補償加濾波方式，使35kV電網達到國家使用標準。

（3）在國家標準允許范圍內向電網注入系統的諧波電流，使電氣設備能夠運行可靠。

以上方式的應用，可使有限的投入產生較為滿意的效果，電網的質量達到國家標準要求。

參考文獻：

[1]孫本榮，王有銘，陳瑛.中厚鋼板生產[M].北京：冶金工業出版社，1993：182-232.

[2]黃慶學，秦建平，梁愛生，等.軋鋼生產實用技術[M].北京：冶金工業出版社，2004：76-88.

[3]西門子電氣傳動公司（SEDL）.SIMOREG DC Master 6RA70系列全數字直流調速裝置6kW-1900kW使用說明書[Z].

[4]鐘肇 ，馮太合.西門子S7-300系列PLC 及應用軟件STEP7[M]. 華南理工大學出版社，2004，7.

[5]Wang Jun， Zhang Dianhua，etal. Hydraulic roll gap control system of plate will and its development in PLC[J].Journal of Northeaster University （Natural Science），2001，22（4）：435-438.

[6]韓立強.冷軋機的厚度自動控制系統[J].冶金自動化，2003（增刊）：112-114.endprint