張莊礦高壓大功率變頻電機的高次諧波治理

劉建東 王 彪 韓曉輝 黃明杰

（安徽馬鋼張莊礦業有限責任公司）

近年來，隨著我國經濟的高速發展，節能降耗、減少碳排放的任務日趨艱巨，提高用電設備的效率已是大勢所趨，高壓大功率變頻電機的應用越來越廣泛。伴隨高壓大功率變頻電機的大量應用，其產生的高次諧波危害也日益嚴重。

張莊礦生產所用大型主體設備電機也采用了高壓大功率變頻電機，使用過程中發現該類電機運行時產生的高次諧波使得礦山出現了10 kV配電系統中經常出現“綜保誤動作”、家屬區電器經常壞等一系列問題。為解決這些問題，張莊礦通過系統分析及科學檢測，運用計算機仿真系統進行仿真計算，確定合理的補償方案［1-5]。

1 諧波及其危害

諧波對周期性交流信號量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數倍的分量，稱為特征諧波，特征諧波之外為非特征諧波。諧波主要產生于大容量整流、變頻設備、電弧設備以及其他非線性負荷導致電流波形畸變，其直觀表現為供電系統原本平滑的正弦波形變得高低不平。

諧波會影響供配電系統的穩定運行，供配電系統中的各種保護在諧波的干擾下極易產生誤動或拒動，諧波嚴重威脅著供配電系統的穩定與安全。諧波會影響電網的質量，增加輸電、變電和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和運行經濟效益，浪費電網容量，并給企業增加額外的電能損耗。諧波會影響供電系統的無功補償設備、電力變壓器、異步電動機等用電設備的正常運行，降低設備壽命甚至引發事故。

2 諧波治理前的配電系統狀況

張莊礦業110 kV變電站配電系統如圖1所示，可以看到配電系統通過電力公司110 kV架空線路2回接入，通過2臺容量為20 000 kVA、變比110/10的總降變壓器分2段10 kV母線給整個礦山供電，10 kV系統短路容量為188.7 MVA。10 kVⅠ段母線通過1101高壓開關進線，主要給選礦高壓配電室、中細碎高壓配電室、井下中央高壓配電室、生活區高壓配電室以及部分小容量負荷供電，配置有1路電容補償裝置；10 kVⅡ段母線通過1102高壓開關進線，主要給選礦高壓配電室、中細碎高壓配電室、井下中央高壓配電室、主井高壓配電室以及部分小容量負荷供電，也配置有1路電容補償裝置。

諧波產生的原因為張莊礦配電系統二次側負荷設備中配置有一定數量的變頻器，變頻器為典型的諧波源設備。通過對整個配電系統進行梳理分析發現，主井提升10 kV/5 400 kW的高壓大功率變頻電機，在運行過程產生了大量的高次諧波源源不斷地注入10 kV母線系統后，對整個10 kV配電系統形成了較嚴重的諧波危害。在以往運行過程中，10 kV配電系統中經常出現“綜保誤動作”、工廠照明“LED燈電流過大而損壞”、家屬區“電磁爐經常壞”等一系列問題，諧波嚴重影響著整個礦山配電系統的安全運行，高壓大功率變頻電機的諧波治理已經刻不容緩。

為解決諧波危害，張莊礦邀請了專業技術人員對全礦配電系統進行了詳細的電能質量檢測，發現10 kV母線電壓諧波總畸變率達到11.74%，大幅超過國家標準（GB/T 14549—93）所規定限值4%的要求，同時還發現導致10 kV母線電壓諧波總畸變率嚴重超標的主要原因是5 400 kW的高壓大功率變頻電機所產生的23～50次的高次諧波。經過研究，確定在5 400 kW的高壓大功率變頻電機的10 kV母線上安裝1套10 kV專用型高次諧波治理裝置（主要濾除23～50次高次諧波），徹底解決高次諧波對各級配電系統及負載設備造成的干擾危害，保障整個配電系統的安全穩定運行，減少無用電能消耗節能降耗。

3 張莊礦10 kV高次諧波濾波器設計

3.1 高次諧波濾波器方案設計及仿真分析

3.1.1 基波補償容量及安裝容量的確定

通過現場檢測的諧波數據和無功數據分析，經過計算機濾波器設計軟件的計算和系統仿真，得到10 kV高次諧波濾波裝置的安裝容量為6 000 kvar，基波補償容量為3 000 kvar，在滿足濾波要求的同時，不會造成過補。本濾波裝置主要吸收23～50次諧波電流，降低10 kV母線諧波電壓。10 kV高次諧波濾波裝置的構成為高通濾波支路，為防止5次、7次、11次諧波的大幅放大，同時設置了1路5次濾波器、1路7次濾波器、1路11次濾波器。由于單調諧濾波器的諧振頻率會因電容、電感參數的偏差或變化而改變，電網頻率會有一定的波動，這將導致濾波器失諧。設計時保證在正常波動情況下10 kV高次諧波濾波裝置仍能滿足各項要求。

濾波裝置設計如圖2所示。

3.1.2 計算機仿真數據

10 kV高次諧波濾波裝置各濾波支路計算機設計軟件計算數據如表1所示。

10 kV高次諧波濾波裝置投入前后電壓諧波總畸變率計算數據如表2所示。

經計算機濾波器設計軟件仿真分析得到的以上數據表明，10 kV高次諧波濾波裝置投入后，10 kV系統不會發生特征諧波的有害放大。投入濾波器后電壓總諧波畸變率由原來的11.74%降低為2.12%，遠小于4%的國家標準限值要求。

3.2 設備選型及安裝

根據仿真結果及設計方案張莊礦購買了一套MWT-TBB型諧波濾除裝置，系統每相回路由濾波電容與濾波電抗串聯，三相由3個單相接成Y型，中性點絕緣，含開口電壓檢測保護、電流保護（在電容器出線柜上）。裝置設計有自動控制系統，可根據系統無功需求自動或手動投切。該裝置濾波補償功能能階梯跟蹤補償負載無功功率的變化，23次諧波電流吸收率達到70%以上。根據方案安裝地點靠近10 kV母線，將裝置安裝在10 kV/5 400 kW的高壓大功率變頻電機的10 kV母線上并投入運行。

4 裝置運用效果

10 kV高次諧波濾波裝置投入運行后，通過專業設備對10 kV進線開關（PCC點）現場諧波檢測，對比裝置投入前10 kV/5 400 kW高壓變頻電機的現場諧波檢測報告可以發現，高壓自動濾波無功補償成套裝置投入運行后，電網的電能質量得到了極大的改善，電壓諧波總畸變率在2%附近，達到了國家標準（GB/T 14549—93）所規定的限值4%的要求，現場由于諧波帶來的系列問題也得到了解決。

5 結語

（1）結合現場情況以計算機濾波器設計軟件計算得出的數據為依據，選定的相應參數的MWT-TBB型諧波濾除裝置對現場高壓大功率變頻電機運行時的諧波能進行有效治理；通過現場實測數據的對比，裝置投入運行后，10 kV母線電壓諧波總畸變率由原來的11.74%降低到1.87%。

（2）諧波治理對于電網平穩運行，降低設備故障有良好效果。10 kV高次諧波濾波裝置自投入運行以來，礦山各種工業電氣設備和家用電器設備都工作正常，10 kV配電系統中再也沒有出現過“綜保誤動作”的現象。

（3）由于投入的設備具有一定的節能效果，通過無功補償提高了功率因數，全年節電效益明顯，可取得相當的社會效益和經濟效益。