玉环配电网谐波测量分析与治理方案研究

2010-05-29王亚兵

浙江电力 2010年11期

王亚兵

（玉环县供电局，浙江玉环 317600）

浙江玉环大量工业企业有中频炉、高频炉、电弧炉、整流设备等非线性负荷，这类负荷比较集中，配电网中谐波电流较大，电能质量较差。根据近年来供电局对谐波的监测结果，大部分有非线性负荷的用户谐波含量己经超标，35 kV用户变电所曾多次出现并联电容器发生鼓肚烧毁的事故。

通过对玉环配电网谐波的普测，包括负荷调查、现场测试分析，根据测量分析结果提出相应的谐波治理方案。

1 谐波测量方法

依据GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》，针对现场情况提出了具体的测试方案。

（1）测量信号的抽取：电压信号取自线路测量TV的二次回路；电流信号取自被测线路测量TA的二次回路。

（2）测量仪器的设置：用FLUKE1760电能质量分析仪测量；将仪器设置为自动定时测量方式，每2次测量间隔为10 min，设置谐波次数为2～25次，进行超过1天的连续谐波测量。

（3）数据处理方法：利用仪器的后台分析功能，对定时测量的存盘数据文件作统计分析，得到电流电压瞬时值，电流电压总畸变率，各次谐波电流电压的95%概率值、最大值、最小值和平均值，并以最大相的95%概率值作为最终测量结果，与标准的限值或允许值比较来确定谐波电流是否超标。

（4）测量对象的选择∶测量35 kV主要变电所，选择有代表性的单位、企业进行。

2 玉环配电网谐波实测数据

2.1 变电所侧测量

玉环县现共有12座35 kV变电所，从测量结果分析，存在以下问题：

（1）变电所存在3次谐波电压含有率、电压总畸变率超标的情况。变电所3次谐波电压超标是由于变压器饱和、单相整流负载引起的，电容器组的投入也有可能引起了3次谐波的谐振放大。虽然大多数配电变压器是D-Y接法，在三相对称的情况下可抑制3次谐波，但是实际用户常常出现三相不对称的情况，无法抑制3次谐波，这一点在用户测量时得到确认。另外，应注意测量变电所3次谐波与互感器的接法有关，电压互感器的消谐电阻会使3次谐波电压测量值放大，而不一定是高压侧含有较高的3次谐波电压。

（2）3， 5， 7次谐波电流较大。用户侧 5， 7，11，13次谐波电流超标，变电所侧5，7，11，13次谐波电流不超标，主要是与配电变的容量与系统容量比有关，配电变容量越小或系统容量越大，则抑制5～13次奇次谐波能力越强。

（3）其中有 2个变电所还存在 14，16，18，19～25高次谐波电流超标的情况。经过测量数据分析，发现变电所供电用户的主要用电设备为感化炉、电弧炉，会产生偶次谐波，导致变电所偶次谐波超标。

2.2 用户侧测量

测量结果表明，电镀、机械类企业主要用电设备是6脉动整流设备，存在5，7，11，13，17，19，23次特征谐波超标的情况，较大的谐波电流导致谐波电压超标严重。出现的非特征谐波是由于三相不对称引起的，三相对称和不对称不太严重时产生特征谐波，不对称严重时产生非特征谐波的。有些企业偶次谐波电流不合格，主要原因是感应炉、转炉、电弧炉等设备的交流电正负半周换相，石墨电极和钢交替作阴极和阳极，因不同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造成偶次谐波超标。

阀门类企业不存在谐波问题，但短时间闪变和长时间闪变不合格，这是由于电动机等冲击性负荷引起的。医院的谐波合格，但奇次谐波含量较大。政府机关的谐波电压和谐波电流均合格；其中2，3次谐波电流偏大。中学的A相谐波电流超标，电流明显过载，而其它相电流较小，认为可能谐波源集中接在A相，三相不平衡电流导致A相各次谐波电流超标，谐波负荷可能为计算机、变频空调等。小区、酒店的谐波基本合格。

通过谐波测量分析，掌握了玉环配电网的谐波源的特点，其中，变电所3次谐波电压超标；企业的谐波超标较为严重，尤其是电镀、机械类企业，负荷以整流设备为主，主要是奇次谐波电流超标，但也存在三相不对称或非特征谐波及偶次谐波等情况。

3 典型谐波源治理方案

根据电网谐波治理与无功补偿的要求，结合谐波普测中所分析得出的玉环配电网谐波源的特点和企业不同的经济状况，决定对玉环环城发动机附件厂及环城发动机附件二厂分别采用不同的方案进行谐波治理。

3.1 无源滤波器方案

玉环环城发动机附件二厂采用的是无源滤波器方案，分别设计二路滤波支路，一次原理接线图如图1所示。无源滤波器安装容量：5次滤波支路为300 kvar；5次调谐滤波支路为60 kvar；7次滤波支路为210 kvar；7次调谐滤波支路为30 kvar。

图1 无源滤波器一次原理接线图

无源滤波器设计时，考虑产业群集中在一个工业园区或地理位置比较接近的区域范围内，这样的产业布局使非线性负载非常集中，负荷变化较大，对电网冲击较为严重。让所有产生谐波的企业同时进行谐波治理是不现实的，而进行单点谐波治理又会遇到以下问题：当某一谐波源企业的无源滤波装置投入运行时，附近企业的非线性负载所产生的谐波电流由于该无源滤波装置的低阻抗而流入该装置；当流入的谐波电流超过设计的容量时，无源滤波装置就会过载而发热，严重时可能导致装置损坏。如果该无源滤波装置安装在用户配电变压器的低压侧，则背景谐波电流会流过用户配电变压器从而导致用户配电变压器损耗增大、寿命降低甚至损坏。

在这种情况下，采用无源智能调谐滤波装置对滤波支路和调谐支路进行投切控制。控制器实时检测滤波器支路的谐波电流，当谐波电流在一定时间内连续超过设计的额定值时，调偏该次滤波器的谐振频率，增大该次谐波的阻抗，从而阻止背景谐波电流的流入；如果附近厂家不断投入生产，背景谐波电流持续增加，当谐波电流达到保护设定值时，控制器就会切除该次及更高次滤波器支路，以保护无源滤波装置和用户变压器。

需要指出的是7次滤波器同时也滤除大部分9次以上的谐波电流。

滤波器为单调谐L-C型滤波器。电抗器和电容器组的参数均根据系统过压和滤波器出厂参数误差的极限值情况计算得出，因此足以保证系统可靠性和延长滤波系统的使用寿命。

经过仿真计算，可清楚地比对出治理前后的效果（见图2）。治理方案实施后的实测结果如表1所示。

3.2 混合有源滤波器方案

图2 治理前后谐波含量对照

玉环县环城发动机附件厂采用混合有源滤波器方案，其中1号变压器的总容量为500 kVA，其负载的功率因数在0.83左右，要使功率因数达到0.93以上，变压器的无功补偿安装容量为250 kvar。新装TSC无功补偿装置具有抑制谐波放大的功能，并能在一定程度上滤除少量谐波。

鉴于安装TSC无功补偿装置以后，主要的5次谐波还是严重超过国标，所以考虑再安装1套150 A的有源滤波装置（APF），其中混合有源滤波器开关损耗非常低，抗干扰能力强。一次原理接线图如图3所示。

图3 谐波治理方案一次原理接线图

表1 400 kVA变压器滤波前后谐波电流含量对比

经过仿真计算，可清楚地比对出治理前后的效果（见图4），治理方案实施后的实测结果见表2。

4 谐波治理效果分析

在安装滤波器后，用户的谐波电流各次特征电流谐波含有率有了明显的降低，均已符合国家的有关规定要求。尤其是加装混合有源滤波器后，其效果更为明显。

图4 治理前后谐波含量对照

表2 500 kVA变压器滤波前后谐波电流含量对比

由治理方案实施前后对比中可以得出，无源滤波在滤波后虽然也能达到国家规定的有关要求，但其滤波效果与混合有源滤波相比效果较差。而混合有源滤波效果则相对较好，滤波后电流波形已接近于正弦波形，并且即使以后企业设备负荷有变化对滤波效果影响也不大，但其价格也相对较高，这也是混合有源滤波难以在企业用户大范围推广的原因。

两个试点企业在治理方案实施后还取得了良好的经济效益，主要表现在两方面，一是因为功率因数提高而节约了费用；二是因为线损降低而节约了电费支出。滤波补偿装置投入运行后，每月平均功率因数将达到0.93以上，功率因数调整费变罚为奖，因此供电部门每月奖励4 000元以上，与以前功率因数低于0.9而被每月罚款3 000元相比可节约费用7 000元以上，每年则可节约8.4万元以上。

谐波治理装置投运后，不仅降低用电设备的损耗，而且使高低压侧电流减少，线损率、主变铜损及上一级输电线路的线损降低。采用无功功率补偿经济当量来估算无功功率补偿后的节电量，滤波器组实际补偿容量为200 kvar左右，由于企业大多晚上22∶00开工，次日早晨8∶00停工，因此按每天工作10 h计算，无功功率补偿经济当量取0.05，则每年可节省电能36 500 kW·h。若每kW·h电价按电力公司近来的平均电价0.6元计算，每年节约电费2.19万元。