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大型石化配电系统谐波分析与治理

前言
随着大型石化企业中变频器、UPS等非线性负载的应用增多,非线性电流注人到电网中往往会产生电压畸变、电力电缆和母线过热、变压器温升升高、电动机过热和附加力矩、电容器过热与过压等现象对于二次设备来说,谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,对通信产生干扰,并会使电气测量仪表计量不准确。谐波已成为电网稳定运行的一大隐患。本研究 从石化配电系统的实际情况出发,对石化配电系统的谐波源进行检测和分析,并提出治理谐波的技术措施。
1 石化配电系统与谐波分析

1.1 石化配电系统负载的特点
以某 公 司 配电网为例:内部配电系统拥有变频器360台、UPS7O台、直流屏69台、电子整流照明灯具近2万套,还有大量的计算机、DCS负载。所有这些设备是公司内部配电网产生谐波的源头,其危害已经有所显现:如在配电网中,出现了像UPS不能正常锁相、电容器运行温度过高的现象。但是从石化配电系统的现状看,我国还没有人对谐波的危害加以重视,更谈不上有目的的治理了。事实上,谐波危害已经成为石化配电系统可靠运行的一大隐患。下面分别对以计算机为负载的系统、变频器为负载的系统的谐波情况进行分析。

1.2 办公楼电网的谐波检测与分析
以计算机 、DCS为典型负载的办公楼电网的相电压和相电流波形,如图1、图2所示;其频谱分析,如表1、表2所示。由图 可 见,电流中3、5、7次谐波含量较大,电流也远非正弦形,在相电压最大值附近有高的电流尖峰。电压谐波主要集中在3、5、7、9、巧次谐波上,得出的电压谐波总畸变率(THD)为2.9%。这在
380V系统中,是可以达到“奇次谐波THD<4%和总谐波THD<5%”的国家谐波电压标准的。在这种情况下,电压波形仍比较接近正弦,在正弦波峰、波谷处存在削顶现象。

综合来看,该点谐波问题不严重,谐波电流含量高,但绝对数值不大,因此谐波电压含量在标准范围
内。该点产生的谐波电流是造成电压畸变的主要原因,低压侧谐波电压中5、7次谐波受6kV侧的影响较大。而3倍次谐波电流在中性线上叠加,并通过公共阻抗产生的谐波电压对相电压的影响比较显著,它们是引起电压谐波的重要原因。

1.3 常压配电网谐波检测与分析
以变频器为典型负荷的常压配电网相电压和相电流波形。变频器工作时,各次谐波含量均比较稳定,当负载电流大时基波含量较高,因此各谐波含量百分比反而比较小,THD值也较低。但同时也可看出,电流中5次、7次、1次谐波的含量很高,电流的THD值超过40%,电流波形的畸变相当明显。再看电压的谐波构成,同电流相似,电压谐波的主要成分是5次、7次、1次及13次谐波,大部分谐波次数含量在1%以下,它们的绝对数值也比电流谐波的含量小得多,因此电压波形畸变并不明显,“电压THD<2%”符合谐波标准。电压畸变应主要来源于这些谐波电流在系统阻抗上产生的电压。常压配电网这点的功率和谐波电流均比办公楼
电网的情形要大,电流畸变更加严重,这对于母线、开关、断路器、电容器和电流表计均会产生不良影响。可是电压畸变却比办公楼电网小,主要原因在于:变频器这点的3倍次谐波小、负载平衡、零序电流小。计算机、DCS系统负载中大量的3倍次谐波和零序电流在中线上叠加,超过单相谐波电流,它作用于中线阻抗上所产生的电压畸变影响就比单相正序、负序谐波要大了。
1.4 石化配电系统谐波的整体评估
石化配电系统以6kV线路为厂网骨干线,连接各现场配电室。各配电站下电网中的谐波源主要是低压变频器负载,厂网6kV线路上主要谐波电流为5次、7次谐波,它们在各配电站6kV汇流母线上造成的电流THD约有10%,引起电压谐波畸变THD约为1%。6kV电网的谐波污染较轻,其原因也在于整个厂的用电设备中变频器占的比重不高。380V系统电压THD不超过5%。计算机 、DCS系统谐波的特点是分散性和随机性,而且由于所使用的是单相电力电子设备,3倍次谐波含量起主要作用。当负荷容量再增大时,谐波可能会超标,而这个节点谐波的治理难度是比较大的。低压网谐波的危害主要还体现在线缆和变压器上。
从以上分析可知:石化配电系统的谐波主要以六相整流装置为主,集中体现为5次、7次、1次等。
同时,对3次谐波也必须加以考虑。

2 谐波的治理
目前,技术上解决谐波污染问题的思路通常有:
通过对电力电子装置本身的改进,降低其谐波的产生,使功率因数控制为1;加装谐波补偿装置。对电力电子装置的改造是从源头上减小系统中的谐波污染。小容量整流器为了实现低谐波和高功率因数,通常采用在可控整流桥后增加二极管和单只开关,且工作于PWM斩波的方式。大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术,以消除次数较低的谐波,从而得到接近正弦波的梯形波。重数越多,波形越接近正弦波,电路结构越复杂。传统 的谐波补偿装置实现方式是采用LC调谐滤波器,它具有结构简单、技术成熟、成本低、功率容量大的特点。目前,谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(APF)。有源电力滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,其补偿特性不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器的变流电路可分为电压型和电流型,目前在实际应用的装置中,90%以上为电压型。有源电 力滤波器与LC滤波器以串联方式混合使用。该方式中,谐波和无功功率主要由LC滤波器补偿,而有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性,从而克服LC滤波器易受电网阻抗影响,易与电网阻抗发生谐振等缺点。这种方式中,有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压,因此装置容量小。3 谐波与并联电容器的相互关系通过对石化配电系统谐波的产生及特点的详细分析,除了为LC滤波器的设计、有源滤波器的选择提供依据外,另一个更为实际的应用是为并联电容器的串接电抗器的设计提供条件。
3.1 谐波与并联电容器的相互影响关系
谐波对电容器的安全使用产生直接影响,谐波电流叠加在电容器的基波电流上,将使电容器的电流有效值增大、温度升高,甚至引起过热而降低电容器的使用寿命。谐波电压叠加在电容器的基波电压上,不仅使电容器电压有效值增大
,并可能使电压峰值大大增加,使电容器在运行中发生局部放电。同时电容器对谐波也有放大的可能,电容器将谐波电流放大,不仅危害电容器本身,而且会危及电网中的电气设备,甚至会破坏电网的正常运行。
3.2 抑制电容器谐波放大的方法
通常给并联电容器串接电抗器,以改变并联电容器与系统谐振点。电抗器时,且串人的电抗器电感量越大,谐波次数越低。因此,可通过合理确定电感量大小以尽量避开谐波源的谐波。由于系 统的特征谐波次数是5次、7次、1次、13次,在LC滤波器的作用下,13次及以下的谐波已经被消除。同时从工程经验看,选择过大的电抗器存在费用、体积等问题。因此,考虑到石化配电系统谐波的特征及LC滤波器的特性,电容器的谐振点按照n次近似处理比较合适。

4 结束语
电子整流设备的谐波问题需要引起社会的高度重视,在谐波问题上要采取预防和治理相结合、预防为主的原则。多重化技术是减少谐波的重要技术,混合滤波技术是谐波治理的重要手段。在提高功率因数的前
提下,必须切实考虑谐波对电容器的影响,通过串联电抗器的方法加以解决。


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