稀贵金属车间供配电谐波综合治理措施

李光田 郭振华

(侯马北铜铜业有限公司， 山西 候马 043000)

电力节能

稀贵金属车间供配电谐波综合治理措施

李光田 郭振华

(侯马北铜铜业有限公司， 山西 候马 043000)

通过采用D ,Yn11接线的电力变压器阻断谐波通道，用无功补偿电容器吸收滤除谐波，改造完善产生谐波的整流机组，回转窑三相半控桥电加热装载及熔铸中频炉等措施有效解决了谐波污染问题。

谐波； 变压器； 触发角； 整流机组； 回转窑； 中频炉

侯马北铜铜业有限公司稀贵金属分厂自动化水平较高，拥有大量的非线性用电设备(如晶闸管整流、晶闸管调压、中频炉等)，这些设备所产生大量的各次谐波干扰会污染供电网络，同时电网的谐波干扰也会影响厂区控制系统、计算机系统和大量检测仪表的正常工作，探索经济合理的谐波治理方案是电气技术人员义不容辞的职责。

1 主要谐波源和谐波的危害

1.1 主要谐波源

(1) 银电解整流装置。整流装置由于供给电解槽的直流电压和电流为非周期函数,整流装置产生的谐波电流注入电网而成为谐波源。

(2) 焙烧回转窑三相半控桥电加热装置。

(3) 金银熔铸中频炉。

1.2 谐波的危害

电力系统谐波的危害十分严重，概括起来主要有以下几个方面：影响电网的质量和供电系统的安全稳定运行；影响电力变压器的使用和增加电机的损耗；增加输电线的损耗，缩短输电线寿命；对电力电容器的危害；影响电子计量仪表的准确性和干扰通讯系统，对自动化DCS和PLC控制系统的正常通讯造成干扰。

2 谐波标准

我国于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量 公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值，见表1。

表1 公用电网谐波电压(相电压)极限值GB/T14549—1993

3 谐波治理

结合国内外谐波治理的经验，在工程设计阶段采取抑制、滤波措施治理谐波，通过采用D，Y11变压器把谐波阻隔到一个特定的区域，用无源滤波器吸收滤除谐波；运行投产以后通过改造完善降低谐波产生。3.1 采用D,Yn11接线的电力变压器阻断谐波通道D,Yn11接线的电力变压器在抑制高次谐波,节约能源等方面有很多优势,得到广泛应用。

(1) D,Yn11接线的电力变压器有利于降低谐波电流。变压器接线为D,Yn11 时,由于相内的所有3N 次谐波幅值相等,相位相同,他们在高压侧三角形绕组的闭合回路内形成环流,使变压器铁芯中的磁通保持正弦波形,从而电势和电流保持正弦波形,有效抑制了电网中的谐波源(用傅利叶级数展开可以说明D,Yn11 接线绕组变压器对谐波的抑制[1])。

(2) 由于D,Yn11 接线的电力变压器消除了3N次谐波分量,同时具有较小的零序阻抗,大大降低了正反变换的过电压幅值,因此抗雷击方面有明显的优势。

(3)由于D,Yn11 接线的电力变压器大大降低了高次谐波磁通产生的铁损附加损耗,因此负载损耗低于其他接线的电力变压器。

为更好的治理谐波，在工程设计时与设计院进行沟通，配置两台6 kV变压器(1#为1 000 kVA，2#为1 250 kVA)，1#变压器带无谐波源的用电负荷，2#变压器带有谐波源的用电负荷。变压器的接线组别是D，Yn11。一般情况下两台变压器分裂运行，抑制谐波污染扩散。负荷运行期间对谐波源和关键点进行测试(2#变压器低压侧未投入电容补偿)，测量的总谐波畸变率(THD)分别为：6 kV进线1.69%；1#变压器0.4 kV侧0.73%；2#变压器0.4 kV侧18.17%；银电解整流装置20.58%；1#回转窑电加热装置75.13%；2#回转窑电加热装置73.57%；熔铸中频炉27.99%。通过测量数据可以看出，谐波抑制环节作用明显，有效阻止了谐波扩散， 6 kV侧满足国标GB/T14549—1993要求；主要谐波源设备由 2#变压器供电，谐波源分别是：银电解整流装置、回转窑三相半控桥电加热装置、熔铸中频炉。

3.2 用无功补偿电容器吸收滤除谐波

低压无功自动补偿装置具有提高功率因数、降低线损、消除谐波污染、优化电能质量的作用，特别是消除电网低负荷时的无功过剩和电压过高现象非常有效。但是谐波对电容器的危害甚大，首先使电容器过流、发热、增加损耗，导致介质绝缘性能下降，最后造成内部击穿；同时可能形成谐振电流，使大批电容器过流、熔断器熔断或导致爆炸事故。为防止谐波对电容器造成损害，首先对回转窑三相半控桥电加热装置和熔铸中频炉进行无功就地补偿，采用电容器组中串联频敏变阻器的方式，补偿无功同时吸收谐波；其次在低压配电室增加一套ZLD- 2200智能式低压调谐滤波电力电容器(针对谐波含量较大，普通电力电容器不能正常运行的情况设计，由高品质电抗器和滤波型电力电容器组合而成)。补偿电容器能够可靠运行，不会产生谐振，具有吸收消除谐波的功能。

3.3 改造完善产生谐波的电力电子设备

晶闸管整流器(或交流调压器)中通过晶闸管的电流波形为缺角的不完整的半个正弦波。该波形中含有大量的谐波分量，图1是不同触发角时3～15次谐波幅值分布图。[2]

图1 不同触发角时3～15次谐波幅值分布图

由谐波幅值分布图可知：

(1) 对于α=90°～180°的谐波幅值与90°～0°的谐波幅值对称。

(2) 谐波次序越低，谐波幅值越大。当α=90°时三次谐波幅值达到31.8%。

(3) 最大谐波幅值出现在α=90°附近的对称区域位置。

实际应用中，为提高晶闸管整流器(或交流调压器)的效率，降低谐波污染，一般触发角控制在0°～40°，甚至0°～30°或更低。

3.3.1 降低整流机组的谐波

根据实际的测试数据，银电解整流装置的控制触发角在30°附近，总谐波畸变率(THD)为20.58%，采取降低控制触发角范围的方式降低整流机组的谐波。银电解整流机组采用6脉波三相全控桥整流电路，调压方式为有载开关调压(粗调)+晶闸管相控调压(细调)，当控制触发角超过5°～30°时自动联调有载开关(控制器能满足控制触发角在5°～30°之间稳定运行，当控制触发角小于5°时发有载调压开关升压信号，自动调节有载调压开关升压；当控制触发角大于30°时发有载调压开关降压信号，自动调节有载调压开关降压。自动连续调档动作次数可设定)，机组额定运行时效率大于98.6%。为降低谐波，采取措施将控制触发角限定在5°～18°，不但降低了谐波，而且机组的运行效率也有所提高。

3.3.2 降低回转窑三相半控桥电加热装置的谐波

根据实际的测试数据，回转窑电加热装置控制触发角在132°附近，总谐波畸变率(THD)为75.13%，采取调整电加热管功率的方式降低控制触发角，达到降低回转窑电加热装置谐波的目的。

回转窑电加热装置电加热管分布在三个区域，窑头电加热功率90 kW，18只电加热管两个串联后接成三个星；窑中电加热功率是130 kW，24只电加热管两个串联后接成四个星；窑尾电加热功率是130 kW，24只电加热管两个串联后接成四个星。统计正常情况下两个月的工艺生产情况，三个区域加热功率波动范围如下：窑头电加热功率26～42 kW；窑中电加热功率31～53 kW；窑尾电加热功率42～45 kW；晶闸管交流调压器是一种移相方式调节交流电压和功率的半导体控制器，控制触发角越小，输出电压就越大；反之，输出电压就越小。改变控制触发角的相位，即可达到调节输出电压的目的。根据现场实际情况，回转窑三相半控桥电加热装置晶闸管运行在深控状态，不但系统功率因数较低，而且谐波非常严重(THD为75.13%)。充分讨论分析后，改造如下：窑头电加热装置功率调整为40 kW，18只电加热管三个串联后接成两个星；窑中电加热装置功率调整为75.9 kW，6只电加热管两个串联后接成一个星,18只电加热管三个串联后接成两个星，两个电加热管串联的6只电加热管均匀的分布到18只电加热管中，确保温度均匀；窑尾电加热装置功率调整为43.41 kW，18只电加热管三个串联后接成两个星，剩余的6只电加热管暂时不用。由于受到现有电加热管功率的限制，改造后(回转窑电加热装置控制触发角在70°附近)基本满足工艺生产需要。后来我们按照控制最大触发角在25°附近重新设计确定电加热管功率，并且统一采用2.2 kW一种规格(原5.4 kW、5.0 kW两种规格)，使用效果更好。

3.3.3 降低熔铸中频炉的谐波

根据实际的测试数据，熔铸中频炉控制触发角在70°附近，总谐波畸变率(THD)为27.99%。熔铸中频炉在熔炼过程中效率、谐波变化非常大，随生产厂家配备的RC吸收回路一般吸收谐波的能力较差，因为RC吸收回路的运行参数与供电系统的短路阻抗、供电系统的电感和熔铸中频炉的运行电流关系密切。按照中频炉在熔炼初期和末期两个工况整定RC吸收回路的参数和匹配谐振电容器，降低熔铸中频炉的谐波。

4 结束语

在工程建设初期分析谐波源，选择配电变压器接线组别抑制谐波，把谐波阻隔到一个特定的区域进行专门治理；运行投产以后通过改造完善降低谐波产生，有效解决谐波污染问题，提高了功率因数，为供配电系统安全稳定运行奠定基础。

[1] 刘介采.工厂供电使用手册[M].北京：中国电力出版社，2000.

[2] 张明勋.电力电子设备设计和应用手册[M].北京：机械工业出版社，1990.

Measures of Harmonic Wave Comprehensive Control of Power Supply and Distribution in the Rare Precious Metals Workshop

LI Guang-tian, GUO Zhen-hua

By using D, Yn11 wiring power transformer to block the harmonic wave channel, and by adopting reactive-load power compensation capacitor to absorb and filter out harmonic wave, and by retrofitting rectifier unit which generated harmonic wave, three-phase half-controlled bridge electric heating load of rotary kiln and Casting IF furnace, etc., the problem of harmonic wave pollution is solved effectively in the paper.

harmonic wave; transformer; trigger angle; rectifier unit; rotary kiln; IF furnace

2015-06-16

李光田(1968—)，男，山东河泽人，大专，工程师，主要从事电气运行管理工作。

TM712

B

1008-5122(2015)06-0036-03