低壓磁性濾波技術(shù)應(yīng)用

陳英杰（遼河油田公司質(zhì)量節(jié)能管理部）

低壓磁性濾波技術(shù)應(yīng)用

陳英杰（遼河油田公司質(zhì)量節(jié)能管理部）

諧波屬于無用波，是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，它在電網(wǎng)中的流通將增加能耗，表現(xiàn)在線損、變壓器銅損、鐵損及設(shè)備損耗等方面，同時(shí)造成這些設(shè)備發(fā)熱、振動(dòng)及噪音增加，甚至導(dǎo)致線路及電器設(shè)備的絕緣擊穿。針對(duì)油田電網(wǎng)存在諧波的實(shí)際情況，開展了諧波治理技術(shù)研究，提出采用磁性濾波技術(shù)，通過磁性材料的特殊品字型對(duì)稱結(jié)構(gòu)，消除磁路中的諧波分量。油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用達(dá)到了較好的效果，實(shí)現(xiàn)了消除諧波、節(jié)能降耗的目的。

電力系統(tǒng) 諧波 低壓磁場(chǎng) 濾波裝置

近年來隨著大量非線性負(fù)載設(shè)備在沈采低壓電網(wǎng)的使用，導(dǎo)致電能質(zhì)量發(fā)生改變，電流波形不再和電網(wǎng)電壓的正弦波一致，產(chǎn)生畸變現(xiàn)象。沈采低壓電網(wǎng)諧波源主要是變頻器和中頻加熱裝置，因其內(nèi)部含有整流環(huán)節(jié)，出現(xiàn) 5、7、11、13 次諧波，這些諧波為供電電網(wǎng)和負(fù)載帶來諸多影響和干擾。

1 諧波危害

諧波屬于無用波，諧波在電網(wǎng)中的流通將增加能耗，表現(xiàn)在線損、變壓器銅損、鐵損及設(shè)備損耗等方面，同時(shí)造成這些設(shè)備發(fā)熱、振動(dòng)及噪音增加。諧波容易造成設(shè)備局部放電及絕緣擊穿，增加維護(hù)/維修工作量，減少設(shè)備電氣壽命，使精密敏感負(fù)載遭受損壞，接觸器線圈發(fā)熱燒毀。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近三年來采油二區(qū)因諧波致使接觸器線圈燒毀的有百余次。諧波干擾無功補(bǔ)償裝置的正常運(yùn)行，造成無功補(bǔ)償裝置跳閘、電容器不能正常工作，甚至燒毀；諧波還可能被放大，這將對(duì)用電設(shè)備和輸變電線路造成進(jìn)一步的損害。諧波影響設(shè)備的正常運(yùn)行，造成對(duì)弱電及通訊信號(hào)的干擾，導(dǎo)致設(shè)備無故跳閘或運(yùn)行異常、計(jì)量出錯(cuò)、通訊系統(tǒng)受干擾等，例如斷路器跳閘，熔絲熔斷，計(jì)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確等。諧波治理是保證安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，既可濾除電網(wǎng)中的有害諧波，同時(shí)又提高功率因數(shù)，保證設(shè)備平穩(wěn)節(jié)能運(yùn)行。

磁場(chǎng)濾波技術(shù)是利用電磁轉(zhuǎn)換原理和軟磁材料，將電能諧波轉(zhuǎn)換為磁能。諧波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁性濾波器特殊的品字形結(jié)構(gòu)內(nèi)部分解為方向相反的磁通，在鐵芯磁路中直接抵消，沒有諧波磁通就無法感應(yīng)諧波電流，從而達(dá)到濾除電能諧波的目的。磁場(chǎng)濾波是專門針對(duì)變頻器這種諧波含量大、自身功率因數(shù)高的變流類設(shè)備研發(fā)的新型濾波技術(shù)，不存在電容器補(bǔ)償，不涉及過補(bǔ)問題。磁場(chǎng)濾波技術(shù)不但能消除系統(tǒng)諧波，還能夠提高功率因數(shù)和 改 善 三 相 不 平 衡[1]（圖 1）。

圖1 磁性濾波原理示意圖

圖 1 中 a、b、c分 別 代 表 三 相 諧 波 電 流 ， 在 品字形結(jié)構(gòu)和特定磁路作用下，a相諧波磁場(chǎng)向c相磁場(chǎng)偏移后返回a相，形成方向相反的磁束，在鐵芯 內(nèi) 抵 消 （b、 c 相 工 作 原 理 相 同）[1]。

諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng) 在鐵 芯中 的抵 消效果 （圖 2），經(jīng)移相偏移后 n次諧波在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)為和和 Bn方向相反，大部分被抵消，抵消，抵消后 的磁場(chǎng)無 法 感 應(yīng) 出 原來的諧 波 電 流[1]。

2 工藝原理

圖2 諧波磁場(chǎng)抵消示意圖

磁性濾波器的阻抗特征和品字型對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)起到抑制浪涌和改善三相不平衡的作用。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為摸清磁性濾波器性能效果的詳細(xì)資料，選取某采油區(qū) 16#站變頻外輸泵進(jìn)行濾波試點(diǎn)，外輸泵所屬變壓器容量為 200kVA，外輸泵功率 37kW，變頻器功率為 45kW。采用型號(hào)為 PMHT1000-0.4-30 的磁性濾波裝置 （圖3）作為臨時(shí)樣機(jī)進(jìn)行濾波試驗(yàn)。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀器采用法國(guó) CA8334三相電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀，測(cè)量方式為三相三線制。測(cè)試時(shí)變頻器運(yùn) 行頻率 為 50Hz， 錄 取數(shù)據(jù) 均大于 100 條，數(shù)據(jù)采集間隔為 1s。

圖3 磁性濾波裝置

根據(jù)諧 GB/T14549 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求 ：0.38kV 電壓總諧波畸變率小于5%。諧波電流評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)值采用GB/Z17625.6—2003 規(guī) 定 的 計(jì) 算 方法。

按此變頻 器 配 電 回 路 總 開 關(guān) 額 定 電 流 200A計(jì)，其瞬動(dòng)保護(hù)的電流整定值按11倍計(jì)算，則電網(wǎng)分配給變頻器配電回路與電網(wǎng)連接PCC點(diǎn)的最大短 路 電 流 為 2200A， 則 最 大 短 路 容 量 Ssc=2200×， 系 統(tǒng) 短 路 容 量 與 設(shè) 備 額定 容 量 的 短 路 比 Rsce=Ssc/Sequ=1524.2/45=33.87。 短路 比 Rsce≥33， 符 合 GB/Z17625.6— 2003 第 5.1 條 簡(jiǎn)化連接的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如表1所示。

表1 第 1 級(jí)簡(jiǎn)化連接設(shè)備的諧波電流發(fā)射值（ Sequ≤ Ssc/33）

根 據(jù)表1計(jì) 算 諧波電 流 限值 ：45kW 變頻 器 額定 電 流。5、7、11、13 次 電流 限 值 分 別 為 I5N=65 × 10.7% ≈7A； I7N=65 × 7.2% ≈4.7A； I11N=65 × 3.1% ≈2A； I13N=65 × 2%= 1.3A。

4 測(cè)試評(píng)估

濾波前后測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 磁性濾波器投入前后變頻器電源側(cè)測(cè)試數(shù)據(jù)

1）原變頻器配電回路電壓總諧波畸變達(dá)5.2%，超 出 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) 5% 的限值； 進(jìn) 行 諧 波 治 理后，電壓總諧波畸變率在2%以下。

2）原變頻器配電回路中 5、7、11、13 次諧波電流超標(biāo)；進(jìn)行諧波治理后，5、7、11、13次諧波電流濾除率在 60%～70%左右，符合諧波電流發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3）原 變 頻 器 配 電 回 路 功 率 因 數(shù) 約 為 0.85， 治理后的功率因數(shù)提升到 0.98。

4）負(fù)載總有效電流值明顯降低，降低幅度約為 12%。

5）治理后，電壓波形為更光滑的正弦波；電流波形連續(xù)性變好，由原來的雙峰波向正弦波趨近，并消除了變頻器開關(guān)元件周期斷開所形成的電流為零的死區(qū)。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在采油區(qū) 19口電加熱油井推廣試驗(yàn)安裝 19臺(tái)低壓磁性濾波裝置，檢測(cè)口測(cè)試井綜合節(jié)能率為 4.11%，電壓總諧波畸變率由9.80% 下 降 至 4.71% （表3）， 單 井 平 均 降 低有功功率 5.78kW， 年 節(jié) 電 量 96.2 × 104kWh。 由 于 有 效 地降低了線路高次諧波分量的幅值，從而降低了設(shè)備因絕緣擊穿等損壞的幾率，節(jié)約了設(shè)備維修費(fèi)用。

表3 磁性濾波器測(cè)試數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

低壓磁性濾波裝置可應(yīng)用在變頻器、中頻加熱裝置系統(tǒng)中，此類裝置均屬于諧波源設(shè)備。由于這類諧波源設(shè)備在低壓電網(wǎng)中的大量使用，致使電網(wǎng)電壓總諧波畸變率、電流諧波含量超標(biāo)，給電力系統(tǒng)運(yùn)行造成不良影響。磁性濾波器能有效減少諧波電流損耗，降低設(shè)備因高次諧波致使絕緣損壞的概率，同時(shí)提供就地補(bǔ)償功能，是保障安全生產(chǎn)和節(jié)能降耗的有效方法。

[1]周勝利,馬金玉.油田電能質(zhì)量治理可行性研究[J].石油石化節(jié)能,2012(4):6-8.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.008

2013-05-16）

陳英杰，工程師，1987年畢業(yè)于長(zhǎng)春建筑專科學(xué)校 （供熱通風(fēng)專業(yè)），1997 年畢業(yè)于沈陽建工學(xué)院 （供熱通風(fēng)與空調(diào)專業(yè)）， 從 事 質(zhì) 量 節(jié) 能 綜 合 管 理 工 作 ， E-mail： starmq@163.com， 地址：遼寧省盤錦市興隆臺(tái)區(qū)遼河油田質(zhì)量節(jié)能管理部，124010。