機電工程師職稱范文供電諧波濾波器的應用

　　摘要：由于工業生產線大量使用DC電源,變頻電機,其整流，逆變設備將產生大量的高次諧波，產生附加損耗，污染電網,宜采取抑制措施，為將用電單位供配電系統的諧波限在規定范圍內。本文結合實際工程對濾波器的容量選擇及無功補償的設計做簡要闡述。

　　關鍵詞：諧波抑制,無源濾波器,THD,TCR,高次諧波

　　目前我們一般采用無源濾波器作為諧波抑制,那么選用濾波器時應注意哪幾方面的問題呢?本人認為應注意以下幾點。

　　1.概述

　　工程由10KV/400V配電房三臺2000KVA變壓器供電, 主要負荷由上料，DC電源, 變頻電機，傳動及動力負荷等.1#變壓器出線主要負荷包括生產線MF+1：1230KW;MD+7：360KW;MG+3：300KW;ME+52:450KW;; MA+11: MA+12:630KW; 2#變壓器出線主要負荷包括生產線MF+10：1020KW;ME+12：820KW;MA+3：293KW;ME+51:150KW;;MA+11: MA+12:630KW;3#變壓器出線主要負荷變頻空調空調機組等，計算負荷共計5100KW.

　　Sn-變壓器的視在功率;

　　Gh-系統中產生諧波的設備(如變頻調速裝置)，非線性負荷的視在功率;

　　_ Gh / Sn≤15% 可以采用單電容補償方案

　　_ 15%

　　_ Gh / Sn>60% 可以考慮采用可調諧濾波器補償或有源濾波器方案

　　負載的特點通過設備提供的參數詳各出線產生高次諧波的電流值.其特征諧波含量5次，7次較大,生產工藝情況不同時，其產生的無功和諧波有很大的不同。

　　對上述負荷的總體動態無功補償及諧波抑制的設計必要性。需要解決生產線所產生的無功及諧波,補償裝置安裝后功率因數達到0.95以上，大幅度降低無功損耗，有效消除和抑制諧波含量和電壓畸變。

　　對新設計項目

　　1. 單電容器補償方案(無去諧電抗器)

　　2. 去諧濾波器補償方案

　　電抗率7% (或5.67% ) - 針對工業項目(5th以上諧波);

　　電抗率14% - 針對民用建筑項目(3rd以上諧波);

　　去諧方案非常安全，可以滿足絕大多數項目的要求;

　　3. 調諧濾波器補償方案

　　考慮到安全性，在不知道將來實際諧波的情況下，要慎重采用;

　　4. 補償(單電容器或去諧方案)+ 有源濾波器方案

　　由于成本的原因，很少采用;

　　2 .無功補償設計應用

　　根據工程供電系統圖,供電為400V三段母線供電：1，2，3#變壓器各用一段母線，三段母線聯鎖。1,2#母線的主要問題是無功沖擊，電壓波動及諧波濾波,2#母線的主要問題是無功補償

　　，本工程1，2#母線上安裝一套5，7次濾波支路TCR型無功補償及諧波濾波裝置系統，在3#母線上安裝一套無功補償的調諧電容電抗器組,這種方式的優點是：

　　1)1,2#母線上安裝濾波電抗器，電容器，相控電抗器系統可以連續調節無功補償量,功態響應速度快，可以解決生產線對電網的劇烈沖擊，穩定電網電壓，濾除諧波，使1，2#母線功率因數保持在整定值0.95以上。

　　2)3#母線上設功率因數集中補償裝置,電容器組采用自動循環投切方式,要求補償后功率因數不小于0.92,另外,為了抑制變頻空調, 計算機等非線性設備帶來的諧波危害，本設計使用了抑制諧波的調諧電容電抗器組，以防止電網中諧波的放大，并保護電容器和其他用電設備，提高電能質量。

　　3)三段母線的綜合效果為動態無功補償及諧波濾波，供電可靠，互為備用。

　　2 .1系統構成

　　包括主供電回路,濾波支路(5次，7次),TCR相控電抗器,其中主供電回路內包括：高壓真空柜四臺，高壓PT柜一臺，高壓隔離柜一臺.

　　濾波支路(5次，7次)內容包括：濾波電容器，濾波電抗器，保護裝置等。 無功補償裝置內容包括:晶閘管,電抗器，電容器，自動補償器，保護控制裝置等。TCR相控電抗器內容包括:相控電抗器，控制器(配觸摸屏)微機保護系統。

　　2.2.1 1,2#母線上無源濾波，TCR系統的補償原理。

　　無源濾波，TCR系統由三部分組成：5.7次濾波回路，TCR相控電抗器，控制保護系統。系統框圖如下圖所示。無源濾波器這種補償方法既可以補償諧波，又可以補償無功功率，而且結構簡單. TCR相控電抗器用于平衡系統中由于負荷的波動所產生的感性無功功率。相控電抗器提供系統所需要的感性無功功率，穩定負載沖擊所產生的電壓波動，控制保護系統包括兩個方面：整個系統的控制保護，相控電抗器的調相保護。

　　TCR的基本結構:兩個反相并聯的晶閘管與一個電抗器相串聯，而三相多采用三角形聯結。

　　這樣的電路并聯到電網上，就相當于電感負載的交流調壓電路的結構。吸收諧波電流和無功功率隨著控制角的增加而減少，實現調節無功的目的。負荷的變化由T CR所產生的變化無功功率加以平衡，使得兩都之和總是維持為常數，此常數感性無功功率被濾波器容性無功相抵銷。5次基波補償容量為250，277kvar，7次基波補償容量為217，180kvar;可以實現0~494，431kvar連續動態可調,最終使電網的功率因數達到供電局標準的要求。

　　(1) 無源濾波器

　　濾波支路是在并聯電容器上串聯濾波電抗器構成,根據負荷諧波含量的不同組成若干組不同的補償濾波支路，負載所產生的特征諧波主要是5，7次。

　　(2) TCR相控電抗器

　　三相接線采用三角型聯結，這種接線形式中的電流諧波含量小，電抗器的容量大于連續動態可調值，分別是450kvar,500kvar.

　　2.3 3#母線去諧裝置無功補償原理。

　　電網和負載特性分析;負荷計算，補償容量確定;補償柜步級設計;補償方案的確定(普通或動態，有無電抗器);關鍵元器件選型;完成一次圖設計

　　按變壓器額定容量估算：

　　一般情況下，

　　可以按變壓器額定容量的20%~40%，做為系統補償的總容量;

　　如2000KVA的變壓器，可以按30%來估算補償容量，

　　補償容量為Qc=600Kvar

　　補償后系統CosΦ2=0.97

　　去諧濾波器補償方案電抗率7% (或5.67% ) - 針對工業項目(5th以上諧波);去諧方案非常安全，可以滿足絕大多數項目的要求;已采用了去諧濾波器補償方案，雖然功率因數達標，但諧波含量超標;可以考慮加有源濾波器的方案;采用接觸器投切方案(所謂的“慢速”補償);

　　針對頻繁變化的負載(如焊機、電梯、注塑機、吊車等)，采用晶閘管投切方案(所謂的“快速”實時補償)

　　補償柜內幾部分構成：熔斷器,電容器, 晶閘管,控制器，電抗器無源濾波裝置實際電抗器配比,串聯調諧電抗器在調諧頻率fh 處的配比計算XL /Xc=1/h2

　　XL為電抗器基波感抗;

　　Xc為電容器基波容抗;

　　h為諧波的次數

　　在低壓三相系統中，5次和7次諧波是最為嚴重的，去諧電容器被用于受諧波影響的電網的功率因數校正，此時由電力電容器和扼流器組成串聯諧振電路，調諧該電路的串聯諧振頻率使之低于電網最小諧振波頻率。對高于串聯諧振頻率的頻率串聯電路呈感性，這就避免了與電網電感發生諧振，根據所選擇的串聯諧振頻率，部分諧波電流可由去諧電力電容器吸收。剩余諧波電流則流入上級系統。去諧電力電容器有助于減少由諧波引起的電壓畸變并減輕對其它電子負載正常工作的干擾。

　　2.4無功補償及諧波濾波系統的容量計算。

　　(1)諧波計算理論依據

　　1)電動機額定容量

　　Sn=(Sqrt(3)KuKiKtPdn/d

　　式中 Kuu-變壓器電壓計算系數，取1;

　　Ki-變壓器電流計算系數,12脈沖取0.789;

　　Kt=電動機過載倍數，取1;

　　Pdn-電動機額定功率，KW;

　　2)諧波估算實側

　　12脈沖變流器

　　特征諧波電流含量 非特征諧波電流含量

　　根據實測總諧波畸變率THDi來確定補償電容器的參數，見表

　　THDi.S/Sn<5%標準電容器;5%<5THDi.S/Sn<10%電容器額定電壓增加10%;10%<5THDi.S/Sn<20%電容器額定電壓增加10%，并配置諧波抑制電抗器

　　注：1.Sn為變壓器視在功率。2.為變壓器副邊實測的視在功率(滿負荷且不帶電容器)。3

　　THDi為變壓器副邊實測的電流畸變率。

　　(2)補償容量的選擇

　　本無功補償及諧波濾波裝置的業主根據實測及同類設備經驗設計。具體型號和參數由廠家內部數據提供。國內一般采用仿真軟件，目前在世界范圍內廣泛采用.

　　補償和濾波裝置未投入運行前可預知其運行時的各項電力技術指標。經過調整可以設計出較為理想的無功補償及諧波濾波裝置,避免了盲目性，對裝置的設計質量起到了保證作用。

　　1)1,2#母線調諧濾波系統

　　考慮到安全性，在不知道將來實際諧波的情況下，要慎重采用;極少數諧波非常嚴重的情況下，可以考慮采用調諧濾波器方案;裝置投入運行后的平均功率因數按0.95計算,則裝置的技術參數選定如下：裝置名稱為TCR相控電抗器BKSG-500(450)//0.4,補償點在400V:裝置容量為無源濾波器705kvar,810kvar,TCR為492kvar,431kvar,

　　2)3#母線去諧濾波系統

　　采用單電容器補償方案(無去諧電抗器)，隨負載的更新換代后，電容器損壞嚴重;

　　去諧方案中,電抗率7% 、5.67%、14%的區別, 裝置投入運行后的平均功率因數按0.92計算,則裝置的技術參數選定如下:補償TSM-LC50 + B44066D7050S400+ 2×MKK525-D-40-01)+ EW-22總計16組控制器采用BR6000-T12,補償點額定電壓為400V，裝置容量為800kvar.

　　3)1,2#母線調諧裝置容量及產生高次諧波的電流值：

　　串聯型調諧電抗器配比計算。在調諧頻率Fh處：XL=XC/H2式中XL-電抗器基波感抗值;Xc-電容器基波容抗值;H理論調諧次數。

　　在確定電抗器容量時，應使實際調諧頻率不于理論調諧頻率,以避免發生系統局部諧振。

　　系統諧振頻率計算。H=SCC/QC式中Q-電容器的額定容量(Mvar);Scc-母線短路容量(

　　MAV.A).補償容量的分組應避開系統諧振點。電容器容量的增加，導致諧振頻率向低值偏移

　　;反之，系統短路容量的增加，見導致諧振頻率向高值偏移。

　　串聯調諧濾波器。由電容器和電抗器串聯而成，用于調諧較低次的諧波頻率處。該濾波器阻抗對較低處的諧波率呈容性，高阻抗，對較高次的諧波頻率呈感性，低阻抗，即在低于調諧頻率時呈高阻特性。用無源濾波器不能有效工作時，宜選用有源濾波器.

　　1#母線5次濾波支路450kvar,基波補償277kvar，7次濾波支路360kvar,基波補償217kvar，TCR500kvar,可實現0~494kvar;2母線5次濾波支路405kvar,基波補償250kvar，7次濾波支路300kvar,基波補償181kvar，TCR450kvar,可實現0~431kvar。

　　對于1,2#母線調諧濾波裝置安裝后效果十分明顯，諧波電壓總畸變,注入系統殘余諧波電流,400V母線電壓波動，功率因數均能達到國標要求。

　　(4)3段母線去諧裝置的效果對比

　　提高系統功率因數;

　　_ 降低系統諧波電壓和電流的畸變;

　　_ 降低電能損耗，節省電費，效果明顯;

　　近似相當于節省一臺400KW的負荷用電;

　　按1元/ Kwh電費估算，系統50%的使用率(包括峰谷電費等因素);

　　一年可以節省電費：

　　400KW×24h×30天×12月×1元/ Kwh ×0.5 = 172.8萬元;

　　不到半年就可以回收成本;

　　_ 穩定生產供電;

　　_ 避免閃變;

　　_ 避免峰值負荷需求;

　　(5)控制系統

　　相控電抗器的調相控制及系統保護由控制器TBKB-Y/11-D-S-1(配觸摸屏)來實現,去調濾波器的PFC由控制器BR600-T1 2控制器一般只有12路輸出，所以無論怎樣擴展，回路數一般都不大于12路;

　　4. 比較常規的做法是采用主輔柜“聯動”的方式，也就是說，主柜某回路接觸器的輔助觸點，去帶動輔柜的一個回路，這樣一來，控制器的這一路輸出就是主柜一路加上輔柜聯動的那一路;

　　3結論。

　　本人根據根據規范及相關電氣資料對工廠配電房無源濾波，去諧裝置的設計作了簡單介紹，國家經濟在快速發展，建筑業也生機勃勃，各類建筑千變萬化，但萬變不離其中，只有理解了規范，掌握了設計方法，結合實際情況來考慮，才能達到最理想的設計效果。

　　參考文獻：

　　1.《全國民用建筑工程設計技術措施節能》2007電氣 中國建筑標準設計研究院主編

　　2.《供配電系統設計規范》GB50052-2009 中國計劃出版社 中國聯合工程公司主編

　　3.《民用建筑電氣設計規范》JGJl6-2008 中國建筑工業出版社 中國建筑東北設計研究院主編

　　4.工業與民用配電設計手冊(第三版) 中國電力出版社 任元會主編