低壓高密度聚乙烯裝置變電所諧波治理

孫先亮

（中國(guó)石油大慶石化公司塑料廠，黑龍江大慶163714）

電源側(cè)控制著幅值、頻率和波形畸變等因素，會(huì)影響電能質(zhì)量，而更多的用電設(shè)備及負(fù)載會(huì)導(dǎo)致電流或電壓波形畸變。線性負(fù)載的電流波形是正弦波，當(dāng)電網(wǎng)正弦波電壓施加于非線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載的電流波形畸變?yōu)榉钦也?。非正弦波電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致電壓波形成為非正弦波。諧波電流注入電網(wǎng)，造成配電系統(tǒng)異常甚至設(shè)備故障，威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行，對(duì)用戶產(chǎn)生危害，為此國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局1993年發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-1993）《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》［1～3］。

1 諧波治理的意義

1.1 降低諧波畸變率，抑制諧波污染

通過濾波補(bǔ)償綜合治理，抑制諧波污染，降低諧波損耗，改善電能質(zhì)量。

1.2 抑制電壓畸變，提高電壓質(zhì)量

對(duì)于額定電壓為U，等值電阻和電抗分別為R、X的線路，在傳輸有功功率P和無功功率Q時(shí)的電壓降為：

因X?R，QX?PR，電流中含有諧波時(shí)，QX會(huì)明顯增加，因此電壓降主要由輸送諧波和無功功率產(chǎn)生，當(dāng)諧波和無功減少時(shí)，可減少電壓降［4］。電壓升高1%，可平均增產(chǎn)0.5%；電網(wǎng)電壓升高1%，可使送變電設(shè)備容量增加1.5%，降低線損2%。

1.3 降低功率損耗和電能損失

通過實(shí)施諧波治理和無功補(bǔ)償，可有效降低諧波電流和無功電流在配電網(wǎng)傳輸過程中造成的損耗。諧波的損耗計(jì)算比較復(fù)雜，這里以無功為例計(jì)算線路損耗，按濾波補(bǔ)償前后線路傳送的有功功率不變，線路電壓為U，等值電阻為R，補(bǔ)償前后的功率因數(shù)分別為cosφ1和cosφ2，則線損降低：

功率因數(shù)從0.70～0.85提高到0.95時(shí)，損耗將降低20%～45%。

1.4 提高設(shè)備出力

若有功功率不變，濾波補(bǔ)償后的諧波電流大大降低，功率因數(shù)提高，視在功率由S1減小到S2，釋放容量ΔS=S1-S2，因此可減少設(shè)備容量，或提高系統(tǒng)輸送能力，以滿足負(fù)荷增長(zhǎng)的需要［5］。

2 實(shí)用案例

某石化企業(yè)乙烯裝置直流機(jī)諧波治理。

2.1 設(shè)備系統(tǒng)概況

某變電所6 kV III段母線的主要諧波負(fù)載為A3603，2 500 kW直流電動(dòng)機(jī)和0.4 kV電機(jī)負(fù)載，系統(tǒng)主接線方法見圖1，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)見表1。

圖1系統(tǒng)接線方法

表1設(shè)備測(cè)量數(shù)據(jù)

2.2 Z-2426混煉機(jī)主要參數(shù)

2 500 kW直流電動(dòng)機(jī)，由6 kV整流變壓器（Z-2426）降壓供電，基本情況如下：

Z-2426混煉機(jī)變壓器：4 000 kVA，6.3 kV/0.75 kV，△/Y；電機(jī)功率：2 500 kW，DC750V。

2.3 諧波治理前數(shù)據(jù)

利用電能質(zhì)量分析儀測(cè)試6 kV混煉機(jī)變壓器饋出電壓畸變值，結(jié)果見表2。電壓畸變率超過4%，不符合GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求。功率因數(shù)見表3。

表2 Z-2426混煉機(jī)變壓器饋出柜測(cè)量數(shù)據(jù)

表3功率因數(shù)

從表3可見，負(fù)荷表現(xiàn)為典型的整流負(fù)荷，5、7次諧波較突出，功率因數(shù)較低。

2.4 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)整流裝置典型非線性負(fù)荷，高含量諧波及波動(dòng)頻繁的特點(diǎn)，采用TSF智能動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置。利用大功率晶閘管無觸點(diǎn)開關(guān)分級(jí)投切濾波器組，同步鎖相技術(shù)得到的高頻計(jì)數(shù)脈沖來精確計(jì)算觸發(fā)角度，保證觸發(fā)信號(hào)與電網(wǎng)電壓完全同步，且可隨系統(tǒng)頻率變化而跟蹤變化，最終保證當(dāng)電網(wǎng)電壓與電容器上的殘壓一致時(shí)投切濾波器，實(shí)現(xiàn)無沖擊、無涌流、無過渡過程（無操作過電壓、無電弧重燃）投切，最大限度地延長(zhǎng)了濾波器及開關(guān)自身使用壽命，有效改善沖擊負(fù)荷所引起的電流沖擊，抑制電壓波動(dòng)和電壓閃變。

2.4.1 TSF智能動(dòng)態(tài)濾波補(bǔ)償裝置特點(diǎn)（1）同步采集電壓信號(hào)，通過單片機(jī)計(jì)算投切時(shí)間，在可控硅2端電壓差為零時(shí)觸發(fā)，確保零電流投切，響應(yīng)時(shí)間≤20 ms；（2）零電流投切，投切無涌流、無電弧重燃、無操作過電壓，可頻繁投切，使用壽命超過10×104次；（3）過壓、欠壓、缺相、系統(tǒng)過載、諧波超限等多種保護(hù)功能，保護(hù)報(bào)警并閉鎖濾波補(bǔ)償回路；（4）電壓、電流、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、頻率、有功電量、無功電量、電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率等多種電量監(jiān)測(cè)顯示。

2.4.2 濾波補(bǔ)償容量計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)在750 V側(cè)需要治理的諧波電流值在：

無源濾波器中流過的諧波電流和基波電流的比例在1∶1～1∶2之間，考慮濾波效果和不能造成無功過補(bǔ)償，按照諧波與基波電流比例為1∶1.3進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此濾波器流過的基波電流約為：

則需要配置的電容器實(shí)際補(bǔ)償容量約為：

濾波裝置的電容采用Y形接法，工作相電壓為750/√3=433 V，考慮諧波工況，濾波裝置電容額定電壓選擇為550 V，濾波裝置的安裝容量：

2.4.3 濾波器配置與投切方式（1）裝置針對(duì)含量最重的5、7次諧波設(shè)置調(diào)諧濾波支路；（2）設(shè)備容量按1∶2∶4∶7配置4路濾波支路，采用編碼組合投切方式，構(gòu)成14級(jí)濾波補(bǔ)償容量，級(jí)差90 kVAR。根據(jù)諧波負(fù)荷的變化，投入適當(dāng)?shù)臑V波器組，以保證有效濾除諧波；（3）在混煉機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)范圍為最大負(fù)荷的80%～100%時(shí)，所有濾波支路全部投運(yùn)，所設(shè)計(jì)的容量可以確保無功不過補(bǔ)，且避開了負(fù)荷波動(dòng)可能帶來的濾波支路頻繁投切問題；（4）濾波電容器采用Y形接線，中性點(diǎn)接地。

2.5 濾波補(bǔ)償裝置投用后測(cè)試5、7次諧波數(shù)據(jù)

濾波補(bǔ)償裝置投用后，電能質(zhì)量明顯改觀，使用電能質(zhì)量分析儀測(cè)試6 kV Z-2426混煉機(jī)變壓器饋出電壓畸變率變小3.4%，符合GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求。投用后的測(cè)量數(shù)據(jù)見表4，功率因數(shù)見表5。接效益防范諧波引起保護(hù)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其保護(hù)動(dòng)作可靠。電動(dòng)機(jī)、變壓器、電纜等用電設(shè)備發(fā)熱、擊穿等故障得到有效抑制，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。

表4濾波補(bǔ)償裝置投用后，Z-2426混煉機(jī)變壓器饋出柜測(cè)量數(shù)據(jù)

表5功率因數(shù)

2.6 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

綜合測(cè)試情況及用戶需求，該項(xiàng)目針對(duì)主要諧波負(fù)載Z-2426混煉機(jī)A3603直流電動(dòng)機(jī)實(shí)施諧波治理，設(shè)計(jì)在Z-2426混煉機(jī)A3603變壓器750 V側(cè)加裝濾波補(bǔ)償裝置。經(jīng)過治理后，A3603變壓器6 kV側(cè)電壓畸變率優(yōu)于《GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對(duì)6 kV部分電壓畸變率不得超過4%的要求，6 kV側(cè)進(jìn)線電流中，5次諧波電流降低60%，7次諧波電流降低40%。

3 結(jié)束語

通過對(duì)低壓高密度聚乙烯裝置混煉機(jī)諧波的治理，高效的濾波補(bǔ)償可節(jié)約30×104kWh/a。間