低壓高密度聚乙烯裝置變電所諧波治理

孫先亮

（中國石油大慶石化公司塑料廠，黑龍江大慶163714）

電源側控制著幅值、頻率和波形畸變等因素，會影響電能質量，而更多的用電設備及負載會導致電流或電壓波形畸變。線性負載的電流波形是正弦波，當電網正弦波電壓施加于非線性負載時，負載的電流波形畸變為非正弦波。非正弦波電流在電網阻抗上產生壓降，導致電壓波形成為非正弦波。諧波電流注入電網，造成配電系統異常甚至設備故障，威脅系統的安全運行，對用戶產生危害，為此國家技術監督局1993年發布了國家標準（GB/T14549-1993）《電能質量 公用電網諧波》［1～3］。

1 諧波治理的意義

1.1 降低諧波畸變率，抑制諧波污染

通過濾波補償綜合治理，抑制諧波污染，降低諧波損耗，改善電能質量。

1.2 抑制電壓畸變，提高電壓質量

對于額定電壓為U，等值電阻和電抗分別為R、X的線路，在傳輸有功功率P和無功功率Q時的電壓降為：

因X?R，QX?PR，電流中含有諧波時，QX會明顯增加，因此電壓降主要由輸送諧波和無功功率產生，當諧波和無功減少時，可減少電壓降［4］。電壓升高1%，可平均增產0.5%；電網電壓升高1%，可使送變電設備容量增加1.5%，降低線損2%。

1.3 降低功率損耗和電能損失

通過實施諧波治理和無功補償，可有效降低諧波電流和無功電流在配電網傳輸過程中造成的損耗。諧波的損耗計算比較復雜，這里以無功為例計算線路損耗，按濾波補償前后線路傳送的有功功率不變，線路電壓為U，等值電阻為R，補償前后的功率因數分別為cosφ1和cosφ2，則線損降低：

功率因數從0.70～0.85提高到0.95時，損耗將降低20%～45%。

1.4 提高設備出力

若有功功率不變，濾波補償后的諧波電流大大降低，功率因數提高，視在功率由S1減小到S2，釋放容量ΔS=S1-S2，因此可減少設備容量，或提高系統輸送能力，以滿足負荷增長的需要［5］。

2 實用案例

某石化企業乙烯裝置直流機諧波治理。

2.1 設備系統概況

某變電所6 kV III段母線的主要諧波負載為A3603，2 500 kW直流電動機和0.4 kV電機負載，系統主接線方法見圖1，現場測量數據見表1。

圖1系統接線方法

表1設備測量數據

2.2 Z-2426混煉機主要參數

2 500 kW直流電動機，由6 kV整流變壓器（Z-2426）降壓供電，基本情況如下：

Z-2426混煉機變壓器：4 000 kVA，6.3 kV/0.75 kV，△/Y；電機功率：2 500 kW，DC750V。

2.3 諧波治理前數據

利用電能質量分析儀測試6 kV混煉機變壓器饋出電壓畸變值，結果見表2。電壓畸變率超過4%，不符合GB/T 14549-1993電能質量公用電網諧波》要求。功率因數見表3。

表2 Z-2426混煉機變壓器饋出柜測量數據

表3功率因數

從表3可見，負荷表現為典型的整流負荷，5、7次諧波較突出，功率因數較低。

2.4 設計方案

針對整流裝置典型非線性負荷，高含量諧波及波動頻繁的特點，采用TSF智能動態濾波補償裝置。利用大功率晶閘管無觸點開關分級投切濾波器組，同步鎖相技術得到的高頻計數脈沖來精確計算觸發角度，保證觸發信號與電網電壓完全同步，且可隨系統頻率變化而跟蹤變化，最終保證當電網電壓與電容器上的殘壓一致時投切濾波器，實現無沖擊、無涌流、無過渡過程（無操作過電壓、無電弧重燃）投切，最大限度地延長了濾波器及開關自身使用壽命，有效改善沖擊負荷所引起的電流沖擊，抑制電壓波動和電壓閃變。

2.4.1 TSF智能動態濾波補償裝置特點（1）同步采集電壓信號，通過單片機計算投切時間，在可控硅2端電壓差為零時觸發，確保零電流投切，響應時間≤20 ms；（2）零電流投切，投切無涌流、無電弧重燃、無操作過電壓，可頻繁投切，使用壽命超過10×104次；（3）過壓、欠壓、缺相、系統過載、諧波超限等多種保護功能，保護報警并閉鎖濾波補償回路；（4）電壓、電流、功率因數、有功功率、無功功率、頻率、有功電量、無功電量、電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率等多種電量監測顯示。

2.4.2 濾波補償容量計算現場在750 V側需要治理的諧波電流值在：

無源濾波器中流過的諧波電流和基波電流的比例在1∶1～1∶2之間，考慮濾波效果和不能造成無功過補償，按照諧波與基波電流比例為1∶1.3進行設計，因此濾波器流過的基波電流約為：

則需要配置的電容器實際補償容量約為：

濾波裝置的電容采用Y形接法，工作相電壓為750/√3=433 V，考慮諧波工況，濾波裝置電容額定電壓選擇為550 V，濾波裝置的安裝容量：

2.4.3 濾波器配置與投切方式（1）裝置針對含量最重的5、7次諧波設置調諧濾波支路；（2）設備容量按1∶2∶4∶7配置4路濾波支路，采用編碼組合投切方式，構成14級濾波補償容量，級差90 kVAR。根據諧波負荷的變化，投入適當的濾波器組，以保證有效濾除諧波；（3）在混煉機負荷的波動范圍為最大負荷的80%～100%時，所有濾波支路全部投運，所設計的容量可以確保無功不過補，且避開了負荷波動可能帶來的濾波支路頻繁投切問題；（4）濾波電容器采用Y形接線，中性點接地。

2.5 濾波補償裝置投用后測試5、7次諧波數據

濾波補償裝置投用后，電能質量明顯改觀，使用電能質量分析儀測試6 kV Z-2426混煉機變壓器饋出電壓畸變率變小3.4%，符合GB/T 14549-1993電能質量公用電網諧波》要求。投用后的測量數據見表4，功率因數見表5。接效益防范諧波引起保護裝置的誤動或拒動，使其保護動作可靠。電動機、變壓器、電纜等用電設備發熱、擊穿等故障得到有效抑制，為電力系統的安全運行提供保障。

表4濾波補償裝置投用后，Z-2426混煉機變壓器饋出柜測量數據

表5功率因數

2.6 驗收標準

綜合測試情況及用戶需求，該項目針對主要諧波負載Z-2426混煉機A3603直流電動機實施諧波治理，設計在Z-2426混煉機A3603變壓器750 V側加裝濾波補償裝置。經過治理后，A3603變壓器6 kV側電壓畸變率優于《GB/T 14549-1993電能質量公用電網諧波》對6 kV部分電壓畸變率不得超過4%的要求，6 kV側進線電流中，5次諧波電流降低60%，7次諧波電流降低40%。

3 結束語

通過對低壓高密度聚乙烯裝置混煉機諧波的治理，高效的濾波補償可節約30×104kWh/a。間