密炼机供电系统的谐波治理措施

孙 亮 张琦俊

（1.浙江省天正设计工程有限公司，杭州 310012； 2.浙江城建煤气热电设计院有限公司，杭州 310012）

随着电力电子技术的飞速发展及轮胎厂生产规模的不断扩大，轮胎行业大量使用大功率的橡胶工艺设备，如密炼机、双复合挤出生产线、冷喂料挤出机等设备，多数采用直流调速或变频调速装置。然而这类装置的使用在供电系统中产生大量的谐波，且功率因数偏低，造成电能浪费的同时还危及到工艺、电力设备的安全运行及产品质量。以下就轮胎行业密炼机供电系统的谐波治理进行分析。

1 密炼机供电系统谐波分析

1.1 密炼机运行工况

轮胎工厂的密炼机是一种捏炼强度极大的混合设备，主要用于橡胶的塑炼和混炼。在混炼物料的过程中要消耗大量的电能，其功率曲线图如图1所示[1]。从图中可以看出密炼机工作过程中负荷量大且波动剧烈。

密炼机负荷以交流变频电机为主，其变频调速装置的整流部分采用晶闸管整流技术，在工作时产生大量的高次谐波。由于变频调速装置多采用六脉动整流技术，所以产生的谐波以5 次、7 次、11 次、13 次为主。

图1 密炼机功率曲线

1.2 谐波的危害

由于大功率变频调速装置在密炼机供电系统中产生大量谐波，供配电系统如果长期处于此运行状况，将对用户自身、供电电网的电能质量及电力系统造成极大的危害[2]，具体表现为以下方面：

1）大量的谐波电流造成并联电容器无法正常投入使用，甚至发生电容器烧毁、爆炸等现象，致使功率因数严重偏低，电力罚款数额增大。

2）变压器在较低负荷率时温升达到额定值，变压器使用容量大大降低。

3）谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，造成无功冲击严重，供电母线电压波动、压降较大。

4）谐波使系统各类继电保护和自动控制装置误动和拒动，电气测量仪表计量不准确。

5）谐波对邻近的通信系统造成干扰，轻者降低通信质量，重者使系统无法正常工作。

目前在橡胶工厂工程设计中，多数业主电气管理人员要求对谐波进行抑制，由此表明橡胶工厂谐波的影响越来越严重，影响了企业的安全、经济运行。

2 谐波治理及国家相关标准

从以上分析可知，密炼机供电系统产生的谐波严重影响供电电网的电能质量。且根据国家标准GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》规定，用户注入公共连接点的谐波电流不得超过表1所列值（部分标准）。因此采取必要的治理措施消除谐波对供电电网、电气设备、装置等造成的影响是十分必要的。

从表1可以看出注入公共连接点的谐波电流允许值和基准短路容量有关，即与系统阻抗有关。系统短路容量越大，系统阻抗越小，谐波电流引起的电压畸变就越小，允许谐波电流值越大。当电网的公共连接点的最小短路容量不同于表1中基准短路容量时，应按照式（1）进行修正：

式中，S1k为公共连接点的最小短路容量，MVA；S2k为基准短路容量，MVA；Inp为表1中第n次谐波电流允许值，A；In为短路容量为 1kS时的第n次谐波电流允许值，A。

表1 注入电网公共连接点的谐波电流值

3 谐波治理工程实例

3.1 系统概况

某工程密炼机供配电系统电源引自10kV 系统，共设有2 台变压器1T1、1T2，容量分别为4000kVA、2000kVA，联结方式分别为Dyn11、Dy11d0，阻抗电压Uk%为6%，电压变比为10/0.69kV。1T1 变压器向1#密炼机供电，1#密炼机由2×1250kW 交流变频电机驱动。1T2 变压器向2#密炼机供电，2#密炼机由1250kW 交流变频电机驱动。配电系统图如图2所示。

图2 配电系统图

考虑到密炼机系统的功率因数达不到供电部门要求的不低于0.92，因此在供电系统变压器低压侧装设容量为600kvar 动态电容补偿柜3 台进行无功功率补偿。

3.2 谐波电流计算

用于电动机调速的单台变频装置，一般是6 脉动装置，其谐波电流含有率[3]如表2所示。

表2 电动机调速驱动用变频装置的谐波电流含量（In/I1） 单位：%

谐波源的各次谐波电流的方均根值即为总谐波电流含量，计算公式为

式中，In第n次谐波电流（方均根值）。

如果两个谐波源的同次谐波电流在一条线路的同一相上叠加，当相位角不确定时，计算公式为

式中，I1n为谐波源1 的第n次谐波电流，A；I2n为谐波源2 的第n次谐波电流，A；nK为系数按照表3选取。如果两个以上同次谐波电流叠加时，首先将两个谐波电流叠加，然后再与第三个谐波电流相叠加，依此类推。

表3 系数Kn 取值

由于供电系统中密炼机变频装置采用六脉动整流技术，结合公式（2）、（3），计算出1#、2#密炼机的各次谐波电流值及总谐波电流值，且根据式（1）可计算出低压0.69kV 的谐波电流允许值，如表4所示。

表4 1#、2#密炼机各次谐波电流值

由计算结果可以看出，整流变压器低压侧（0.69kV）5 次、7 次谐波电流值超过国家标准规定的允许值，11 次、13 次谐波电流值未超过规定允许值。

3.3 谐波治理措施

目前治理谐波的主要方法是装设滤波器以滤除非线性设备所产生的谐波。滤波器的类型主要包括无源电力滤波器、有源电力滤波器、混合电力滤波器等[2]。由于无源滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，存在着与电网发生谐振的可能性，并且对电网阻抗和频率变化十分敏感等。为此采用有源电力滤波器对本系统进行谐波治理。

有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，对冲击性负载、负荷变化剧烈的供电系统进行谐波补偿具有特别明显的技术优势。其工作原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与谐波电流或电压大小相等相位相反的补偿电流或电压，从而使电网电流只含基波分量。有源滤波器与非线性负荷并联安装，注入与非线性负荷产生的谐波反相的电流（Ih=-Iact），使得线路电流Is保持为正弦波，工作原理图如图3所示[4]。与其他滤波技术相比，其主要优点：

1）具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

2）具有高度可控性和快速响应性，响应时间小于10ms。

3）安装位置灵活，可以对单个非线性负荷、集中非线性负荷进行补偿。

4）补偿对象的谐波电流超出电力有源滤波装置的额定输出电流，不会出现电力有源滤波装置过载，保证设备实时安全运行。

5）受系统电网阻抗变化影响小，消除滤波器与电网阻抗发生并联谐振的可能，克服传统LC 无源滤波器的缺点。

6）选型时只需要考虑谐波电流大小，与负荷类型无关。

图3 有源电力滤波器工作原理

3.4 有源滤波器选型及系统配置

结合表4中的谐波电流数据，根据需要滤除谐波电流的大小，考虑一定的裕量选择正确的有源电力滤波器规格，如表5所示。

表5 有源电力滤波器规格

本工程密炼机供电系统中的变频装置属于大功率非线性负荷，采用单独治理方式，有源滤波器就地安装，当非线性负荷产生谐波时就地治理，可以有效降低线路损耗。采用有源电力滤波器的系统配置图如图4所示，两台有源滤波器并列运行。

图4 密炼机供电系统配置图

4 结论

非线性负荷大量应用于工业生产、电力系统等领域，由此产生的电力谐波给电力系统的安全运行和供用电设备造成极大的影响和危害。结合轮胎工业电气设计，分析了密炼机供电系统谐波的特点及危害性，介绍了谐波电流的计算方法，探讨了谐波治理的滤波措施。分析提出，采用有源电力滤波器能实时、动态地跟踪大容量冲击性负荷的谐波变化，实现最佳的滤波效果。

[1] 邱立武,等.用功率曲线辅助分析密炼机胶料混炼过程[J].轮胎工业,2004(11):689-692.

[2] 王兆安,杨君,等.谐波抑制和无功功率补偿(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3] 中国航空工业规划设计研究院组编.工业与民用配电设计手册(第三版).北京:中国电力出版社,2005.

[4] 施耐德公司.电气装置应用(设计)指南(第二版).北京:中国电力出版社,2007.