冶金轧钢行业中电网谐波及功率因素补偿

一、    关于谐波
谐波为基于正常电网基波频率（工频：国内为50Hz）上的整数倍的正弦分量，所有谐波叠加后则造成畸变的周期性非正弦波形。
请参见附件（2006年2月15日在浙江杭州余杭博陆搪瓷厂的测试波形）
1.    谐波的来源：
谐波是由非线性负载所造成，对我们冶金企业而言，变流装置（可控硅直流传动、变频器交流传动，电弧炉等都是谐波源。
随着现代工业技术的发展，这种非线性负载的使用越来越大，在产生巨大经济效益的同时，电网谐波污染越演越烈。
2.    谐波的危害：
?大量谐波电流易使一般补偿电容和系统产生并联谐振，从而使谐波电流放大，导致电容器过载或损坏。这已在很多工厂中发生并不鲜见。
?谐波电流也使电力变压器、电缆、电动机附加损耗大大增加、温升上升、加速绝缘老化，缩短设备寿命，这种损失是隐含的，一时不易被人觉察，但实实在在存在着。
?谐波会使控制装置，就像智能型直流模块，可编程控制器（PLC）工作不正常，破坏了自动化生产的正常进行。这对长期现场调试设备的技术人员而言，真是感触良多，经常为此搞得焦头烂额。
2006年3月我公司王争群在广东佛山南钢调试时，由于谐波而伤透脑筋，南钢有四连轧机组一套，平整机组二套，可逆机组二套，单轧机组一套，采用意大利Ansaldo直流传动模块，所有机组均在调试完成后频繁出现P5故障，最后把部分补偿电容退出后才告正常。
谐波对通讯设备产生干扰。这也是很常见的现象，使得通讯不能正常进行，如西门子的现场控制总线，是联结各部分设备的通讯神经，一旦受到干扰就无法组织自动化协调生产。目前总线通讯波特率常用在1.5兆，由于干扰，为了提高可靠性，通讯距离大大缩短，常用在百米级范围。
二、    谐波的治理：工业生产会有谐波产生，危害又大，就必须进行治理。
1.    从谐波源着手：尽量使该设备减少产生谐波，现在常用的电平整流逆变技术，多脉波（如十二相）整流技术等。
2.    对现有谐波进行吸收治理：把谐波进行滤波吸收，从而使电网系统受其影响减到最小。
滤波装置中有有源滤波装置及无源滤波装置二类，而无源滤波中，又可分有动态补偿滤波及非动态补偿滤波。
（1）有源滤波器：如ALF有源滤波器，其工作方式为用二个电流/电压互感器得到的电子设备记录获得了实际的电流曲线。其采样频率以平均10kHz频率来采样。依据采样值的大小，通过IGBT桥式电路和注入线圈将一移相180°的电流注入电网，即一个正值被一个负值抵消掉了，一般有源滤波器连在谐波发生源附近。从有源滤波器连接点处至电网的源头部分的谐波分量便被消除了。
有源滤波的优点：
①    谐波电流的三相补偿
②    对存在的电容或电感无谐振发生
③    对载波控制系统无冲击
④    良好的滤波效果
但其最大的缺点：
①    高技术水平高造价高投入费用。以2005年时ZRAF型号的并联有源滤波装置，其电压等级0.4kV，其市场价为50A-25万元，100A-40万元，300A-80万元，非一般用户所能忍受。
②    对功率因素补偿无效
（2）无源滤波器：通常用LC串联谐振电路组成滤波器，主要利用串联谐振针对某次谐波频率对应阻抗降至极小（其大小和LC回路的品质因素及谐振点有关），从而把对应谐波电流引入回路而最大限度减小了对电网的污染。
考虑到某些设备投入或切出时无功电流的巨大变化，无源滤波中又有动态静止型补偿装置，就像SVC补偿装置，它能在20ms内迅速作出响应，改变无功量，保证受电设备处电网功率因素稳定及电压的稳定，这对由于大负荷变化形成的电网电压不稳及闪烁现象起了根本性的改善作用。目前在一些大中型电炉设备处电网上采用SVC很有现实意义，因为电炉经常处于冲击负载之下。其造价也不菲，大于600元/千乏。
对于绝大多数轧钢厂而言，广泛使用无源非动态静止型滤波补偿装置比较适宜，它也是采用LC滤波，是较早出现的用于抑制供电系统中谐波的滤波技术。其结构简单，设备投资少，运行可靠性高，运行费用低。
这种装置主要由滤波电容器，滤波电抗器，无感电阻组成，根据谐波电流的成份，大小及无功需求进行设计，就近并联在非线性负载所在电网上。对谐波而言，本装置各此达到滤除谐波电流，使公共点电压畸变减小的目的。与此同时，该装置可向系统提供补偿无功功率，以提高系统功率因素。该装置市场价约为140-150元/千乏左右。
三、    谐波装置执行的标准。（包括高压及低压）
《高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求》GB/T11022-1989
《高压并联电容器》GB3983.2-1989
《低压并联电容器》GB7113-1993
《低压开关设备和控制设备总则》GB/T14048-2000
《电抗器》  GB/10229-1988
《电能质量公用电网谐波》  GB/T14549-1993
《并联电容器装置设计规范》  GB50227-1995
四、无源滤波装量的接线方式（仅作一般参考）
方案一  无高通支路


方案二  带有高通支路

以上图中为用接触器自动投切，缺点是有浪涌电流，对电容器寿命不利，而且响应慢，一般单组投切时间约为8～10秒。对于冲击负载较大的设备往往会由于瞬间压降过大而无法正常工作。例如：江苏硕放银邦铝业集团热轧粗轧机，就因此无法正常工作，后于2004年初经加装可控硅自动投切的滤波补偿装量后，单级投切时间达到0.25秒以下，使生产得以正常，而且在投切过程中采用了过零触发原理，大大减小了冲击电流，从电流表上几乎看不到冲击电流，有利于提高电容器寿命。
五、关于电网谐振
一般没有滤波补偿装量的用户经常发生电容器爆炸，或干扰正常自动化设备的正常工作，其重要原因就是补偿电容对谐波产生谐振放大造成。这里简单谈一下。
每个配电网络都类似于一个有着一或几个自然频率的谐振电路，并且有一或几个谐振点。
配电系统的谐振频率可以由以下公式得到：
fn=fo
式中：ST变压器功率（KVA）
      Uk变压器的短路电压标幺值
      Qc补偿电容的功率（KVar）
      fo电网频率
例如：ST＝630KVA，Uk＝6％＝0.06，Qc＝250KVar，以50KVar为步长，也就是说电容器每次切换50KVar。fo＝50Hz
便可得下表：电容功率            谐振频率            相接近谐波次数
                50                  724                      13
                100                  512                      11
                150                  418                       9
                200                  362                       7
                250                  324                       7
这样当对应谐波产生且较大时便可能损害设备。
必须加滤波补偿装置。装置的最低谐波频率必须略低于产生谐波频率次数才行。如上所说我们的结论是：没有能排除谐振的电容器，谐振的产生只能通过用电抗性补偿系统防止。根据德国inpower公司的资料建议当产生谐波的设备与工厂的功率总和的比率超过15％时就应该使用电抗性补偿系统。
尤其需要校核低负荷时期的这一比率，因为通常会促使谐振的加剧。
按inpower提供资料中的标准VDE0839，EN61000-2-4，IEC1000-2-4
谐波电压可接受值如下表（400V系统）
不能以3整除的奇次谐波    能以3整除的奇次谐波    偶次谐波
n    %    n    %    n    %
5    6.00    3    5.00    2    2.0
7    5.00    9    1.50    4    1.0
11    3.50    15    0.50    6    1.0
13    3.00    21    0.50    8   
17    2.00    〉21        10    0.5
19    1.50            12   
23    1.50            14    0.5
25    1.50            16   
29    1.05            〉16    0.5
31    0.92               
35    0.76               
37    0.70               

我国综合电压谐波系数允许值为
35kV－3％            10kV－4％            400V－5％

以上内容不当之处请诸位斧正。

上海北整工程技术成套有限公司
                                       2006-6-8