有源濾波技術(shù)在化工企業(yè)電力系統(tǒng)中的運(yùn)用

（中煤陜西榆林能源化工有限公司，陜西榆林 719000）

0.引言

我國(guó)電力系統(tǒng)電源是以50Hz的額定頻率向用電設(shè)備供電的，電源頻率為50Hz的正弦波我們通常稱(chēng)之為基波。當(dāng)電力系統(tǒng)向某些非線性負(fù)荷（如變頻器）傳遞和供給基波能量的同時(shí)，也將一部分的基波能量轉(zhuǎn)換為頻率高于50Hz的正弦波能量，我們稱(chēng)之為諧波。

1.電力系統(tǒng)諧波的危害

（1）電力系統(tǒng)諧波增加輸、供和用電設(shè)備的附加損耗的影響。1）系統(tǒng)諧波對(duì)輸電線路的影響。電力系統(tǒng)中的諧波使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，影響電網(wǎng)的質(zhì)量。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路阻抗隨頻率增加而提高，使輸電線路的電能損耗增加，造成線路過(guò)熱影響絕緣壽命，當(dāng)諧波頻率位于在電力網(wǎng)絡(luò)諧振區(qū)間內(nèi)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的諧振過(guò)電壓，對(duì)電力電纜線路會(huì)造成絕緣擊穿。2）系統(tǒng)諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器的影響。對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器的主要危害是引起附加無(wú)功和有功損耗發(fā)熱增加，減少絕緣介質(zhì)的使用壽命，導(dǎo)致絕緣損壞。3）系統(tǒng)諧波對(duì)電力電容器的影響。電力系統(tǒng)諧波使電力電容器產(chǎn)生發(fā)熱、噪聲、鼓肚、擊穿以及絕緣壽命縮短等危害。對(duì)諧波頻率比較敏感的電力電容器，因其自身的容性阻抗特性，以及頻率與容抗成反比的特性，使得諧波電流容易被電力電容器吸收從而引起電容器過(guò)負(fù)荷甚至爆炸。（2）對(duì)通信系統(tǒng)工作產(chǎn)生的影響。諧波電流及諧波電壓通過(guò)磁感應(yīng)、電容耦合、電感應(yīng)及電氣傳導(dǎo)等方式影響通訊及通信系統(tǒng)，這些諧波頻率將會(huì)使通信設(shè)備、通信線路不能正常工作，導(dǎo)致通信系統(tǒng)處于癱瘓的狀態(tài)。（3）對(duì)電氣低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的影響。斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時(shí)由于對(duì)電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難。電子型的斷路器，諧波使其額定電流降低，可能產(chǎn)生誤動(dòng)作。諧波電流使電磁接觸器磁體部件溫升增大，影響觸點(diǎn)、線圈溫度升高使額定電流降低。（4）對(duì)計(jì)量?jī)x表的影響。目前采用的電力測(cè)量?jī)x表中有磁電型和感應(yīng)型，諧波會(huì)導(dǎo)致電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確，特別是數(shù)字顯示計(jì)量?jī)x表。（5）對(duì)功率因數(shù)的影響。諧波產(chǎn)生的功率因數(shù)與基波功率因數(shù)疊加后會(huì)使表觀功率因數(shù)降低。（6）諧波對(duì)人體有影響。從人體生理學(xué)來(lái)說(shuō)，人體細(xì)胞在受到刺激興奮時(shí)，會(huì)在細(xì)胞膜靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生快速電波動(dòng)或可逆翻轉(zhuǎn)，其頻率如果與諧波頻率相接近，電網(wǎng)諧波的電磁輻射就會(huì)直接影響人的腦磁場(chǎng)與心磁場(chǎng)[1]。

2.電力系統(tǒng)概況

我公司設(shè)有110kV總變電站一座，由當(dāng)?shù)仉娏緝蓷l線路接入總變110kV系統(tǒng)。110kV系統(tǒng)為雙母線接線，通過(guò)兩臺(tái)100MVA、110/35kV主變壓器降壓至35kVⅢ段、Ⅳ段母線，電站兩臺(tái)100MW發(fā)電機(jī)組經(jīng)兩臺(tái)125MVA、13.8/35kV變壓器升壓后分別與總變35kV系統(tǒng)Ⅲ段、Ⅳ段母線并網(wǎng)，35kV系統(tǒng)為單母線分段式接線，共計(jì)23條35kV饋出回路為各區(qū)域生產(chǎn)裝置共計(jì)10個(gè)10kV變電所提供電源。

3.電力系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題

2017年8月氣化裝置高壓煤漿泵變電所690V母線在母聯(lián)處密集型母線槽（SIEMENS，XLC-II）發(fā)生相間擊穿短路，造成兩段母線全部停電，氣化裝置停車(chē)。事故后經(jīng)專(zhuān)家組分析，高壓煤漿泵變電所所帶負(fù)荷均為變頻器設(shè)備，變頻器正常工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流，同時(shí)母線設(shè)有電容補(bǔ)償裝置，在某一頻率與系統(tǒng)諧波源產(chǎn)生諧振，產(chǎn)生高電壓擊穿母線絕緣，致使事故發(fā)生。為避免再次發(fā)生此類(lèi)事故，公司經(jīng)研究討論開(kāi)展諧波治理工作。

4.電力系統(tǒng)諧波治理前期工作

（1）排查廠內(nèi)諧波源。將所有存在變頻器類(lèi)設(shè)備的變電所進(jìn)行排查，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算出非線性負(fù)荷占比，并按照負(fù)荷重要程度進(jìn)行分級(jí)。（2）編制項(xiàng)目方案。按照標(biāo)定的治理點(diǎn)匯同設(shè)計(jì)院、多家有源濾波廠家討論裝置選型并編制實(shí)施方案。（3）聘請(qǐng)多方機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。專(zhuān)業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)全廠各電源節(jié)點(diǎn)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)PP變電所、空分變電所、電站空冷變電所、氣化高壓煤漿泵變電所存在較大含量的高次諧波。PP變電所0.4kV 2段、6段母線的2次諧波含量較高，已經(jīng)超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；空分變電所、電站空冷變電所、氣化高壓煤漿泵變電所的3次、5次、7次諧波含量較高，其中5次諧波已經(jīng)超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5.諧波治理方法選擇

（1）無(wú)源濾波。無(wú)源濾波器由電容器和電抗器串聯(lián)而成,調(diào)諧在某個(gè)特定的頻率。在某一頻率下形成一個(gè)低阻抗的回路，吸收這一頻率的諧波電流，轉(zhuǎn)換成熱能。缺點(diǎn)是濾波效果不理想，只能濾除固定的幾次諧波；可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故；濾波需求和無(wú)功補(bǔ)償有時(shí)難以協(xié)調(diào)。（2）有源濾波。通過(guò)測(cè)量諧波電流來(lái)控制輸出，輸出一個(gè)與負(fù)載諧波電流具有幅值相同而相位相反的補(bǔ)償電流，與負(fù)載諧波電流相抵消以達(dá)到消除諧波的目的。優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前諧波電流大小，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；不易發(fā)生諧振；同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)功，并且可連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率的大小，補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率影響。

6.電力系統(tǒng)諧波治理開(kāi)展情況

我廠電力系統(tǒng)諧波治理采用有源電力濾波裝置，根據(jù)諧波測(cè)試的結(jié)果及治理的效果對(duì)比，將此項(xiàng)目分為兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段對(duì)空分變電所0.4kV 5段、6段、10段母線和PP變電所 0.4kV 2段、6段母線進(jìn)行治理工作。第二階段對(duì)電站空冷變電所0.4kV 1段、2段、3段、4段母線和氣化變電所0.69kV 7段、8段母線進(jìn)行治理工作。

7.我廠電力系統(tǒng)諧波治理效果

從安裝有源濾波設(shè)備治理的各變電所母線測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)諧波治理后諧波含量有比較明顯改善，就以PP變電所0.4kV 2段母線實(shí)測(cè)結(jié)果為例，見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)圖

圖2 實(shí)時(shí)電流波形

有源電力濾波器投入運(yùn)行后，2次諧波電流減小，其含量由27.5%（負(fù)載THD）降到4.0%（電網(wǎng)THD），各相電流的畸變率和諧波含量減小，符合電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波GB/T 14549標(biāo)準(zhǔn)的要求，達(dá)到了預(yù)期的效果，電力系統(tǒng)的安全性和可靠性得到了提高。

8.結(jié)語(yǔ)

化工企業(yè)裝置規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高，由于電力電子設(shè)備應(yīng)用廣泛，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波污染，導(dǎo)致電氣設(shè)備及通訊系統(tǒng)故障時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響化工企業(yè)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。諧波治理技術(shù)在化工企業(yè)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以有效地提升化工企業(yè)電氣系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，從而增強(qiáng)化工企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展能力，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力。