稀貴金屬車(chē)間供配電諧波綜合治理措施

李光田 郭振華

(侯馬北銅銅業(yè)有限公司， 山西 候馬 043000)

電力節(jié)能

稀貴金屬車(chē)間供配電諧波綜合治理措施

李光田 郭振華

(侯馬北銅銅業(yè)有限公司， 山西 候馬 043000)

通過(guò)采用D ,Yn11接線(xiàn)的電力變壓器阻斷諧波通道，用無(wú)功補(bǔ)償電容器吸收濾除諧波，改造完善產(chǎn)生諧波的整流機(jī)組，回轉(zhuǎn)窯三相半控橋電加熱裝載及熔鑄中頻爐等措施有效解決了諧波污染問(wèn)題。

諧波； 變壓器； 觸發(fā)角； 整流機(jī)組； 回轉(zhuǎn)窯； 中頻爐

侯馬北銅銅業(yè)有限公司稀貴金屬分廠(chǎng)自動(dòng)化水平較高，擁有大量的非線(xiàn)性用電設(shè)備(如晶閘管整流、晶閘管調(diào)壓、中頻爐等)，這些設(shè)備所產(chǎn)生大量的各次諧波干擾會(huì)污染供電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)電網(wǎng)的諧波干擾也會(huì)影響廠(chǎng)區(qū)控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和大量檢測(cè)儀表的正常工作，探索經(jīng)濟(jì)合理的諧波治理方案是電氣技術(shù)人員義不容辭的職責(zé)。

1 主要諧波源和諧波的危害

1.1 主要諧波源

(1) 銀電解整流裝置。整流裝置由于供給電解槽的直流電壓和電流為非周期函數(shù),整流裝置產(chǎn)生的諧波電流注入電網(wǎng)而成為諧波源。

(2) 焙燒回轉(zhuǎn)窯三相半控橋電加熱裝置。

(3) 金銀熔鑄中頻爐。

1.2 諧波的危害

電力系統(tǒng)諧波的危害十分嚴(yán)重，概括起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：影響電網(wǎng)的質(zhì)量和供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；影響電力變壓器的使用和增加電機(jī)的損耗；增加輸電線(xiàn)的損耗，縮短輸電線(xiàn)壽命；對(duì)電力電容器的危害；影響電子計(jì)量?jī)x表的準(zhǔn)確性和干擾通訊系統(tǒng)，對(duì)自動(dòng)化DCS和PLC控制系統(tǒng)的正常通訊造成干擾。

2 諧波標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)于1993年頒布了限制電力系統(tǒng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》，規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值，見(jiàn)表1。

表1 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)極限值GB/T14549—1993

3 諧波治理

結(jié)合國(guó)內(nèi)外諧波治理的經(jīng)驗(yàn)，在工程設(shè)計(jì)階段采取抑制、濾波措施治理諧波，通過(guò)采用D，Y11變壓器把諧波阻隔到一個(gè)特定的區(qū)域，用無(wú)源濾波器吸收濾除諧波；運(yùn)行投產(chǎn)以后通過(guò)改造完善降低諧波產(chǎn)生。3.1 采用D,Yn11接線(xiàn)的電力變壓器阻斷諧波通道D,Yn11接線(xiàn)的電力變壓器在抑制高次諧波,節(jié)約能源等方面有很多優(yōu)勢(shì),得到廣泛應(yīng)用。

(1) D,Yn11接線(xiàn)的電力變壓器有利于降低諧波電流。變壓器接線(xiàn)為D,Yn11 時(shí),由于相內(nèi)的所有3N 次諧波幅值相等,相位相同,他們?cè)诟邏簜?cè)三角形繞組的閉合回路內(nèi)形成環(huán)流,使變壓器鐵芯中的磁通保持正弦波形,從而電勢(shì)和電流保持正弦波形,有效抑制了電網(wǎng)中的諧波源(用傅利葉級(jí)數(shù)展開(kāi)可以說(shuō)明D,Yn11 接線(xiàn)繞組變壓器對(duì)諧波的抑制[1])。

(2) 由于D,Yn11 接線(xiàn)的電力變壓器消除了3N次諧波分量,同時(shí)具有較小的零序阻抗,大大降低了正反變換的過(guò)電壓幅值,因此抗雷擊方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(3)由于D,Yn11 接線(xiàn)的電力變壓器大大降低了高次諧波磁通產(chǎn)生的鐵損附加損耗,因此負(fù)載損耗低于其他接線(xiàn)的電力變壓器。

為更好的治理諧波，在工程設(shè)計(jì)時(shí)與設(shè)計(jì)院進(jìn)行溝通，配置兩臺(tái)6 kV變壓器(1#為1 000 kVA，2#為1 250 kVA)，1#變壓器帶無(wú)諧波源的用電負(fù)荷，2#變壓器帶有諧波源的用電負(fù)荷。變壓器的接線(xiàn)組別是D，Yn11。一般情況下兩臺(tái)變壓器分裂運(yùn)行，抑制諧波污染擴(kuò)散。負(fù)荷運(yùn)行期間對(duì)諧波源和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試(2#變壓器低壓側(cè)未投入電容補(bǔ)償)，測(cè)量的總諧波畸變率(THD)分別為：6 kV進(jìn)線(xiàn)1.69%；1#變壓器0.4 kV側(cè)0.73%；2#變壓器0.4 kV側(cè)18.17%；銀電解整流裝置20.58%；1#回轉(zhuǎn)窯電加熱裝置75.13%；2#回轉(zhuǎn)窯電加熱裝置73.57%；熔鑄中頻爐27.99%。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，諧波抑制環(huán)節(jié)作用明顯，有效阻止了諧波擴(kuò)散， 6 kV側(cè)滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)GB/T14549—1993要求；主要諧波源設(shè)備由 2#變壓器供電，諧波源分別是：銀電解整流裝置、回轉(zhuǎn)窯三相半控橋電加熱裝置、熔鑄中頻爐。

3.2 用無(wú)功補(bǔ)償電容器吸收濾除諧波

低壓無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償裝置具有提高功率因數(shù)、降低線(xiàn)損、消除諧波污染、優(yōu)化電能質(zhì)量的作用，特別是消除電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)的無(wú)功過(guò)剩和電壓過(guò)高現(xiàn)象非常有效。但是諧波對(duì)電容器的危害甚大，首先使電容器過(guò)流、發(fā)熱、增加損耗，導(dǎo)致介質(zhì)絕緣性能下降，最后造成內(nèi)部擊穿；同時(shí)可能形成諧振電流，使大批電容器過(guò)流、熔斷器熔斷或?qū)е卤ㄊ鹿?。為防止諧波對(duì)電容器造成損害，首先對(duì)回轉(zhuǎn)窯三相半控橋電加熱裝置和熔鑄中頻爐進(jìn)行無(wú)功就地補(bǔ)償，采用電容器組中串聯(lián)頻敏變阻器的方式，補(bǔ)償無(wú)功同時(shí)吸收諧波；其次在低壓配電室增加一套ZLD- 2200智能式低壓調(diào)諧濾波電力電容器(針對(duì)諧波含量較大，普通電力電容器不能正常運(yùn)行的情況設(shè)計(jì)，由高品質(zhì)電抗器和濾波型電力電容器組合而成)。補(bǔ)償電容器能夠可靠運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生諧振，具有吸收消除諧波的功能。

3.3 改造完善產(chǎn)生諧波的電力電子設(shè)備

晶閘管整流器(或交流調(diào)壓器)中通過(guò)晶閘管的電流波形為缺角的不完整的半個(gè)正弦波。該波形中含有大量的諧波分量，圖1是不同觸發(fā)角時(shí)3～15次諧波幅值分布圖。[2]

圖1 不同觸發(fā)角時(shí)3～15次諧波幅值分布圖

由諧波幅值分布圖可知：

(1) 對(duì)于α=90°～180°的諧波幅值與90°～0°的諧波幅值對(duì)稱(chēng)。

(2) 諧波次序越低，諧波幅值越大。當(dāng)α=90°時(shí)三次諧波幅值達(dá)到31.8%。

(3) 最大諧波幅值出現(xiàn)在α=90°附近的對(duì)稱(chēng)區(qū)域位置。

實(shí)際應(yīng)用中，為提高晶閘管整流器(或交流調(diào)壓器)的效率，降低諧波污染，一般觸發(fā)角控制在0°～40°，甚至0°～30°或更低。

3.3.1 降低整流機(jī)組的諧波

根據(jù)實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)，銀電解整流裝置的控制觸發(fā)角在30°附近，總諧波畸變率(THD)為20.58%，采取降低控制觸發(fā)角范圍的方式降低整流機(jī)組的諧波。銀電解整流機(jī)組采用6脈波三相全控橋整流電路，調(diào)壓方式為有載開(kāi)關(guān)調(diào)壓(粗調(diào))+晶閘管相控調(diào)壓(細(xì)調(diào))，當(dāng)控制觸發(fā)角超過(guò)5°～30°時(shí)自動(dòng)聯(lián)調(diào)有載開(kāi)關(guān)(控制器能滿(mǎn)足控制觸發(fā)角在5°～30°之間穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)控制觸發(fā)角小于5°時(shí)發(fā)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)升壓信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)升壓；當(dāng)控制觸發(fā)角大于30°時(shí)發(fā)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)降壓信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)降壓。自動(dòng)連續(xù)調(diào)檔動(dòng)作次數(shù)可設(shè)定)，機(jī)組額定運(yùn)行時(shí)效率大于98.6%。為降低諧波，采取措施將控制觸發(fā)角限定在5°～18°，不但降低了諧波，而且機(jī)組的運(yùn)行效率也有所提高。

3.3.2 降低回轉(zhuǎn)窯三相半控橋電加熱裝置的諧波

根據(jù)實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)，回轉(zhuǎn)窯電加熱裝置控制觸發(fā)角在132°附近，總諧波畸變率(THD)為75.13%，采取調(diào)整電加熱管功率的方式降低控制觸發(fā)角，達(dá)到降低回轉(zhuǎn)窯電加熱裝置諧波的目的。

回轉(zhuǎn)窯電加熱裝置電加熱管分布在三個(gè)區(qū)域，窯頭電加熱功率90 kW，18只電加熱管兩個(gè)串聯(lián)后接成三個(gè)星；窯中電加熱功率是130 kW，24只電加熱管兩個(gè)串聯(lián)后接成四個(gè)星；窯尾電加熱功率是130 kW，24只電加熱管兩個(gè)串聯(lián)后接成四個(gè)星。統(tǒng)計(jì)正常情況下兩個(gè)月的工藝生產(chǎn)情況，三個(gè)區(qū)域加熱功率波動(dòng)范圍如下：窯頭電加熱功率26～42 kW；窯中電加熱功率31～53 kW；窯尾電加熱功率42～45 kW；晶閘管交流調(diào)壓器是一種移相方式調(diào)節(jié)交流電壓和功率的半導(dǎo)體控制器，控制觸發(fā)角越小，輸出電壓就越大；反之，輸出電壓就越小。改變控制觸發(fā)角的相位，即可達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，回轉(zhuǎn)窯三相半控橋電加熱裝置晶閘管運(yùn)行在深控狀態(tài)，不但系統(tǒng)功率因數(shù)較低，而且諧波非常嚴(yán)重(THD為75.13%)。充分討論分析后，改造如下：窯頭電加熱裝置功率調(diào)整為40 kW，18只電加熱管三個(gè)串聯(lián)后接成兩個(gè)星；窯中電加熱裝置功率調(diào)整為75.9 kW，6只電加熱管兩個(gè)串聯(lián)后接成一個(gè)星,18只電加熱管三個(gè)串聯(lián)后接成兩個(gè)星，兩個(gè)電加熱管串聯(lián)的6只電加熱管均勻的分布到18只電加熱管中，確保溫度均勻；窯尾電加熱裝置功率調(diào)整為43.41 kW，18只電加熱管三個(gè)串聯(lián)后接成兩個(gè)星，剩余的6只電加熱管暫時(shí)不用。由于受到現(xiàn)有電加熱管功率的限制，改造后(回轉(zhuǎn)窯電加熱裝置控制觸發(fā)角在70°附近)基本滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)需要。后來(lái)我們按照控制最大觸發(fā)角在25°附近重新設(shè)計(jì)確定電加熱管功率，并且統(tǒng)一采用2.2 kW一種規(guī)格(原5.4 kW、5.0 kW兩種規(guī)格)，使用效果更好。

3.3.3 降低熔鑄中頻爐的諧波

根據(jù)實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)，熔鑄中頻爐控制觸發(fā)角在70°附近，總諧波畸變率(THD)為27.99%。熔鑄中頻爐在熔煉過(guò)程中效率、諧波變化非常大，隨生產(chǎn)廠(chǎng)家配備的RC吸收回路一般吸收諧波的能力較差，因?yàn)镽C吸收回路的運(yùn)行參數(shù)與供電系統(tǒng)的短路阻抗、供電系統(tǒng)的電感和熔鑄中頻爐的運(yùn)行電流關(guān)系密切。按照中頻爐在熔煉初期和末期兩個(gè)工況整定RC吸收回路的參數(shù)和匹配諧振電容器，降低熔鑄中頻爐的諧波。

4 結(jié)束語(yǔ)

在工程建設(shè)初期分析諧波源，選擇配電變壓器接線(xiàn)組別抑制諧波，把諧波阻隔到一個(gè)特定的區(qū)域進(jìn)行專(zhuān)門(mén)治理；運(yùn)行投產(chǎn)以后通過(guò)改造完善降低諧波產(chǎn)生，有效解決諧波污染問(wèn)題，提高了功率因數(shù)，為供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

[1] 劉介采.工廠(chǎng)供電使用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.

[2] 張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

Measures of Harmonic Wave Comprehensive Control of Power Supply and Distribution in the Rare Precious Metals Workshop

LI Guang-tian, GUO Zhen-hua

By using D, Yn11 wiring power transformer to block the harmonic wave channel, and by adopting reactive-load power compensation capacitor to absorb and filter out harmonic wave, and by retrofitting rectifier unit which generated harmonic wave, three-phase half-controlled bridge electric heating load of rotary kiln and Casting IF furnace, etc., the problem of harmonic wave pollution is solved effectively in the paper.

harmonic wave; transformer; trigger angle; rectifier unit; rotary kiln; IF furnace

2015-06-16

李光田(1968—)，男，山東河澤人，大專(zhuān)，工程師，主要從事電氣運(yùn)行管理工作。

TM712

B

1008-5122(2015)06-0036-03