电解铝整流供电系统中的无功补偿及高次谐波的抑制

2010-12-28郭宏芳张传斌梁永平

材料与冶金学报 2010年1期

关键词：基波电容器并联

郭宏芳,张传斌,梁永平

（青海桥头铝电有限公司,青海西宁 810100）

电解铝整流供电系统中的无功补偿及高次谐波的抑制

郭宏芳,张传斌,梁永平

（青海桥头铝电有限公司,青海西宁 810100）

节约能源,必须对电能质量进行提高,而提高电能质量的有效措施即为提高功率因数,加装滤波补偿装置进行有效的无功补偿和消除谐波危害.

由于一些大的用电单位对电网的供电质量造成不同程度的影响,产生大量的各种谐波分量,直接影响电网的供电质量.一个大型的电解铝企业,其整流供电的功率因数一旦低于 0.9,则直接使设备的输出功率降低,设备的绝缘发热老化,效率降低,另外也给电网增加了负担,降低了电网的输电能力,所以加装滤波补偿装置是电解铝整流供电刻不容缓的一项举措.

1 滤波补偿装置滤波器的工作原理

滤波器是制定一个与所产生谐波的谐波源大小相等,相位相反的谐振电路,使各次谐波很容易的通过的回路,是对不同种类的设备所产生的谐波进行滤除,对无功功率进行补偿的装置.

由于电网供电电压并非理想的正弦波,而整流供电二极管的单向导电作用,在正反向电压作用下,其阻值迥然不同,因而整流装置从交流电力系统取的电流也是非正弦波的,这种非正弦交流波形根据系统参数,整流装置相数,接线和运行条件的不同而发生很大畸变,将这些电流按傅立叶级数可分为基波及一系列不同频率和振幅的谐波（一般为 12K ±1,其中 K为自然数 1、2、3……,对电网危害最大的为 27、29等高次谐波）,而产生的这些谐波危害极大,主要为:

（1）直接危害用电设备的绝缘,降低电气设备的使用寿命;

（2）产生严重的电压波动,使三相不平蘅,容易使电容器击穿;

（3）谐波可以使继电保护发生误动作,造成巨大的经济损失;

（4）谐波所产生的电压闪变,对高精度电子设备产生极大的影响;

（5）谐波对人体也产生较大的危害.

2 高次谐波的抑制

将三相桥式电路的脉动数从 6提高到 12,可消除 5次、7次谐波.将多个谐波源接于同一段母线,利用谐波的相互补偿作用也可降低电网谐波含量.

当谐波量超出规程允许值或者电网在谐波范围内有谐振时,通常设置单调谐滤波器吸收特征谐波.对于 13次及以上的高次谐波,可设置一个高通滤波器.滤波回路也会吸收电网原有谐波并可能导致过负荷.一般通过调整失谐率,降低品质因数或者通过附加电子装置控制电流值来避免过负荷.电容器可通过串联电抗器形成谐波阻塞回路,以防止电容器谐波过负荷,一般将串联谐振频率定在 250 Hz以下.

3 电感调节

滤波装置的电感调节后不会改变,而在运行当中,电容值会发生变化,所以必须根据其谐振点去调试（XL=KXc,其中 K为调谐系数取 1.03,不平衡度≤2%）所以在计算时,先测出电容实际值,根据公式 Xc=1/2ПfC得出 Xc值,可根据 XL=KXc再依据公式 XL=2ПfL反推出 L值.

某供电整流所 1#～4#机组谐波调谐数据如表 1～表 4:

表 1 1#机组谐波调谐数据

表 2 2#机组谐波调谐数据

表 3 3#机组谐波调谐数据

表 4 4#机组谐波调谐数据

4 电网中含有谐波情况下的无功补偿

4.1 对谐波源负载的补偿

在 5次谐波频率下电网具有谐振,并联阻抗Xp大大升高,由谐波源发出的 5次谐波电流流入谐振回路后,会产生很高的谐波电压,谐波电压叠加在基波电压上,导致电压波形发生畸变.在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍,即谐波放大,此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷,特别是电容器,长期运行于过负荷状态,加速绝缘老化,甚至击穿爆炸.可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率,调整电容器容量配置,使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离,避免谐波放大.但是实际的电网阻抗不为常数,而时常处于不断变化之中,很难完全避开谐振,特别当电容器分组调节运行时,情况更为复杂.

当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时,必须采取技术措施,将并联谐振点移到安全位置,而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器.

4.2 电容器回路串电抗

电容器串电抗后形成一个串联谐振回路,在谐振频率下呈现出很低的阻抗（理论上为 0）.如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致,则成为纯滤波回路.如果只吸收少量谐波,则称为失谐滤波回路.

失谐波回路的主要用途是防止谐波放大,滤波效果不大,回路串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率,即设定为基波频率的 3.8～4.2倍.

工程计算公式为:

电抗器电抗 XL=电容器容抗 Xc的百分比（X%）或者:电抗器功率 QL=电容器基波容量 QC的百分比（X%）

电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的 6%～7%.在选择 X=6%时,谐振次数为 V=4.08.

失谐滤波回路只吸收少量 5次及以上的谐波,谐波源产生的谐波的大部分流入电网,电容器容量根据预计达到的功率因数值确定.

纯滤波回路的主要用途是吸收谐波,同时补偿基波无功功率.

在串联谐振状态下,滤波回路的合成阻抗 Xs接近于 0,因此可对相关谐波形成“短路”.

在谐振频率以下滤波回路呈容性,因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率.在谐振频率以上滤波回路呈感性.

由于滤波回路在谐振点以下呈容性,所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路.如果在这个频率范围内没有特征谐波,则并联谐振对电网不会产生危害.

当电容器采用△形接线,则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的 96%～98%,以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变,滤波回路除了输出基波无功功率外,还要承受谐波负荷,多个不同谐振频率的滤波器在两个过 0点间会出现一个并联谐振点.

4.3 滤波回路的无功功率调节

由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波,所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性,只能对各个回路进行投切,投入的顺序为从低次到高次,切除的顺序为从高次到低次.对于容量较大的补偿滤波装置,可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法,即纯滤波回路固定运行,补偿基本负荷,失谐滤波回路作为调节运行.

如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性,另一个呈容性,则会产生并联谐振,使谐波放大.

如果经过经济技术比较需要采用并联方式,可以将两个支路均调为在特征谐波频率下呈感性,即ωr<（v×ωl）,各支路电阻接近,可以较好解决电流分配问题,但是滤波效果要降低.

如果既要吸收谐波,又要保持调节的灵活性,可以采用并联支路的方式,即若干个同次滤波回路同时接入电网,各支路的电容同时并联,形成一个总的滤波回路,调节时可以投切其中的一个或多个并联支路.这种方式不会出现支路间的并联谐振,同时提高了滤波效果.除了对电容器分组调节以外,对于负载波动频繁的场合,采用动态补偿及滤波装置是最佳的解决方案.

4.4 滤波回路的选择

选择滤波回路有以下两个原则:

（1）主要用于吸收谐波,降低电网电压畸变,基波无功补偿居次要位置.

（2）提高电网功率因数,同时吸收谐波,电容器容量按无功补偿的要求配置.

整流供电所所用的滤波补偿装置共计四套,每台整流变安装一套,挂接在整流调压变压器补偿绕组侧,每套滤波装置由三条滤波支路组成,分别为 5、7次和 11次单调谐滤波器,其中 5、11次滤波器安装容量为10 800 kV·A,7次滤波器容量为7 200 kV·A.所用电容装置型号为 TALA 20型,并采用双星形不平衡电流保护方式,其电气接线原理如图 1所示: