冶金轧钢行业中整流装置对电网干扰的综合治理方案

常领+杨军辉+刘玉辉

摘 要：谐波负荷在冶金轧钢行业中有其比较特殊的性质——特征谐波与非特征谐波并存，并且含量较大，设备自身的问题也掺杂其中，单个装置滤波不能有效解决问题，所以需要综合考虑治理方案，才能将谐波治理好，取得良好效果。一方面，首先改变整流变压器的接线方式，再用装置对其整流；另一方面对35kV电网采用动补加滤波方式，使35kV电网达到国家使用标准。同时也介绍了最新的一些减少谐波的方式方法，通过综合的治理方案将掺杂入系统的谐波控制在国家标准允许范围以内，使电网供电优质、可靠。

关键词：35KV；谐波；方案

中图分类号：TF305 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）24-0076-02

1 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。

1.1 谐波的来源

谐波是由非线性负载所造成，对冶金企业而言，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，谐波对电网污染也更加严重。

整流装置本身可产生非特征高次谐波。通常情况下，由于三相对称供电系统中，回路为三相对称，整流装置中可控硅不同的触发角、器件存在的特性差异都是非特征高次谐波的产生的主要原因，通过控制回路的改变及不合格可控硅的调整及更换，可基本消除非特征高次谐波中的2、3、4、6次等谐波。（将模拟控制器改为计算机控制器）。

1.2 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。

谐波电流也使电力變压器、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。

总之，严重污染电网的主要是整流装置的交流侧谐波。这些交流谐波危害严重，主要体现在：（1）影响与其并联的晶闸管装置并对弱电系统进行干扰；（2）降低发电机的容许负荷；

（3）增大变压器的功率损失，增高噪声；（4）使电气设备不正常发热；（5）引起交流电容器过载；（6）使感应电动机出现周期性变化的转速，引起功率损失增加（铜损、铁损）；（7）降级互感器的精确度；（8）影响电子计算机的正常工作。

2 谐波的治理

目前常用的减少谐波措施是在整流装置中增加等效相数、安装滤波装置、增加电源短路容量。近年成功研究的新措施是磁通补偿法、谐波注入法、谐波回送法、安装有源滤波器等方法。

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。使谐波电流中的5、7次谐波基本消除就是等效十二脉波整流的结果。

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。

综合治理方案如下：

（1）在整流装置中增加等效相数

减少谐波含量的方法中，在整流装置中增加等效相数是有效的。人为干预改变整流器中各同名相电压的相位移，可使谐波减少，即等效多相制。使各同名相电压形成N个相量组成的系统（N-整流器组的数目），它们彼此之间的相位移均为360°/PN（P-脉波数），而所有整流器组的全部电压形成多个相量组成的对称多相系统，它们彼此之间的相位移也是360°/PN和PN相整流时二次电压间的相位移相等。因此，在等效PN相制的情况下，整流电压及一次电流的波形与PN相整流电路相同，其所含谐波分量大大减少。

例如，两台六脉波整流器的相电压之间的相位移为30°时，则整流站整流电压与一次电流的波形将和十二脉波整流电路一样，也就是说，他们已形成等效十二相制。

等效多相制的实现，可采用下列各种方法：

a.讲移相变压器接在主变压器的前端。此情况下，电网电压与移相变压器二次电压之相量和与加于主变压器的电压等于。移相变压器二次电压与电网电压间的相互关系由加于主变压器的合成电压的相移角决定。移相变压器的其输出电压与功率成正比。

b.如果主变压器之前接有调整自耦变压器，可将自耦变压器的励磁线圈进行曲折形接法，使主变压器一次电压的相位移动所需的角度，这样就可以达到移相变压器同样的效果。

c.将整流站内一部分主变压器一次线圈接成三角形，而

将另一部分主变压器的一次线圈接成三相星形（或一台主变压器具有两只二次线圈，一只接成三角形，而另一只接成三相星形），使这两类主变压器的一次电流间（或两只二次线圈间）的相移角为30°，这样就可以使整流站的供电线路形成等效多相制。这个方法可以单独应用，也可以和上述方法联合应用。

d.将主变压器的二次线圈接成曲折形，使二次相电压的相位有的向前移动，有的向后移动，形成等效多相制。

在等效多相制的情况下，并联运行的整流器组之间将有平衡电流通过，这是因为这些整流器组的整流电压曲线并不重合，它们的脉振在时间上是不一致的。平衡电流的频率等于这些脉振的频率，当它与整流臂工作电流叠加在一起时，可使整流臂的负担加强，并会产生额外的功率损失，所以必须设法限制它。最有效的办法是采用平衡电抗器或阴极电抗器。但当使用大容量三线圈整流变压器（二次为△、Y双绕组）时，只要△与Y绕组间的漏抗设计得足够大，就可省去平衡电抗器，效果同样能达到。endprint

（2）给主传动供电的35kV电网提供无功补偿装置，采用动补加滤波方式，使35kV电网达到国家使用标准。根据热轧负载为感性的主要特点，动态补偿采用SVC（静止型动态无功补偿装置）无功补偿方案，选用可靠、先进、实用的TCR型动态无功补偿装置，全数字控制系统。

此套滤波装置包括4只滤波器，其中主要是奇次单调谐固定式滤波器。主要将3、5、7、11谐波进行滤波处理，在此套系统中如果出现偶次谐波电流，只要数量不大，奇次滤波器就可对其起到滤波作用，并将其调谐至特定谐波。

高通滤波器主要滤除高次谐波（例如17、19、23、25、……次），这些谐波幅值较小。在公司此套系统中未使用。

（3）将电源短路容量加大

减少电网污染最为有效的方法是增加电网短路容量与整流装置网侧视在功率之比。升高整流装置电源电压也有一定效果。

（4）补偿磁通

即补偿铁芯中的谐波磁通，用以抵消谐波电流，方法是将一电流互感器接入变压器二次侧，将处理后的谐波电流经过放大后，送往整流变压器，使其产生反向谐波电流。

此方法优点在于如补偿完全的情况下，可抵消掉全部谐波电流，还可抵消部分非特征谐波。补偿装置中需要配大功率放大器是其最大缺陷。

此法在自饱和静止无功补偿装置上应用较多，也应用在部分小容量整流设备中，在其整流装置中加入滤波装置将取得更好的效果。

（5）加入谐波

在整流电路中加入新的谐波电流，使其波形发生变化，进而起到治理谐波的作用。谐波因平波电抗器的作用不会讲谐波引入负荷回路中。

这种方法的优点在于设计时不用考虑系统阻抗，缺点在于加入的谐波必须与电力系统同步，并且必须可以自动调节加入谐波电流的相位及幅值等。这种方法缺点明显，因此应用并不广泛。

（6）回送谐波

即使变压器二次侧中性点与整流电路中的正、负极之间形成三脉波整流电压，这就要求整流变压器的一次侧必须是角接，二次侧必须是星接。这样在三脉波整流电压中就含有三次谐波，并且这些谐波将附加于变压器一次线圈上。变压器二次线圈与整流器组成三倍全波整流器，交流输出端电流即为三次回送谐波电流，呈现为矩形三倍频波形，输入端与六脉整流电路串联。

此法应用交广。因其谐波源与供电电源可自然同步，多应用于整理器和逆变器，也可用于大、中容量变流设备上。

（7）安装有源滤波器

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：

a.谐波电流的三相补偿

b.对存在的电容或电感无谐振发生

c.对载波控制系统无冲击

d.良好的滤波效果

但其最大的缺点：

a.高技术水平高造价高投入费用。

b.对功率因素补偿无效

（8）安装无源滤波器

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。绝大多数轧钢厂广泛使用无源非动态静止型滤波补偿装置，它也是采用LC滤波，是较早出现的一种较为成熟的抑制供电系统中谐波的滤波技术。其结构较简单，设备投入少，运行可靠性高，运行费用低。

3 结束语

经长期测量及专家建议，我公司最终确立了明确的治理方案。

（1）改变整流变压器的接线方式，再用装置对其整流。

（2）對35kV电网采用动态补偿加滤波方式，使35kV电网达到国家使用标准。

（3）在国家标准允许范围内向电网注入系统的谐波电流，使电气设备能够运行可靠。

以上方式的应用，可使有限的投入产生较为满意的效果，电网的质量达到国家标准要求。

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