机电工程师职称范文供电谐波滤波器的应用

　　摘要：由于工业生产线大量使用DC电源,变频电机,其整流，逆变设备将产生大量的高次谐波，产生附加损耗，污染电网,宜采取抑制措施，为将用电单位供配电系统的谐波限在规定范围内。本文结合实际工程对滤波器的容量选择及无功补偿的设计做简要阐述。

　　关键词：谐波抑制,无源滤波器,THD,TCR,高次谐波

　　目前我们一般采用无源滤波器作为谐波抑制,那么选用滤波器时应注意哪几方面的问题呢?本人认为应注意以下几点。

　　1.概述

　　工程由10KV/400V配电房三台2000KVA变压器供电, 主要负荷由上料，DC电源, 变频电机，传动及动力负荷等.1#变压器出线主要负荷包括生产线MF+1：1230KW;MD+7：360KW;MG+3：300KW;ME+52:450KW;; MA+11: MA+12:630KW; 2#变压器出线主要负荷包括生产线MF+10：1020KW;ME+12：820KW;MA+3：293KW;ME+51:150KW;;MA+11: MA+12:630KW;3#变压器出线主要负荷变频空调空调机组等，计算负荷共计5100KW.

　　Sn-变压器的视在功率;

　　Gh-系统中产生谐波的设备(如变频调速装置)，非线性负荷的视在功率;

　　_ Gh / Sn≤15% 可以采用单电容补偿方案

　　_ 15%

　　_ Gh / Sn>60% 可以考虑采用可调谐滤波器补偿或有源滤波器方案

　　负载的特点通过设备提供的参数详各出线产生高次谐波的电流值.其特征谐波含量5次，7次较大,生产工艺情况不同时，其产生的无功和谐波有很大的不同。

　　对上述负荷的总体动态无功补偿及谐波抑制的设计必要性。需要解决生产线所产生的无功及谐波,补偿装置安装后功率因数达到0.95以上，大幅度降低无功损耗，有效消除和抑制谐波含量和电压畸变。

　　对新设计项目

　　1. 单电容器补偿方案(无去谐电抗器)

　　2. 去谐滤波器补偿方案

　　电抗率7% (或5.67% ) - 针对工业项目(5th以上谐波);

　　电抗率14% - 针对民用建筑项目(3rd以上谐波);

　　去谐方案非常安全，可以满足绝大多数项目的要求;

　　3. 调谐滤波器补偿方案

　　考虑到安全性，在不知道将来实际谐波的情况下，要慎重采用;

　　4. 补偿(单电容器或去谐方案)+ 有源滤波器方案

　　由于成本的原因，很少采用;

　　2 .无功补偿设计应用

　　根据工程供电系统图,供电为400V三段母线供电：1，2，3#变压器各用一段母线，三段母线联锁。1,2#母线的主要问题是无功冲击，电压波动及谐波滤波,2#母线的主要问题是无功补偿

　　，本工程1，2#母线上安装一套5，7次滤波支路TCR型无功补偿及谐波滤波装置系统，在3#母线上安装一套无功补偿的调谐电容电抗器组,这种方式的优点是：

　　1)1,2#母线上安装滤波电抗器，电容器，相控电抗器系统可以连续调节无功补偿量,功态响应速度快，可以解决生产线对电网的剧烈冲击，稳定电网电压，滤除谐波，使1，2#母线功率因数保持在整定值0.95以上。

　　2)3#母线上设功率因数集中补偿装置,电容器组采用自动循环投切方式,要求补偿后功率因数不小于0.92,另外,为了抑制变频空调, 计算机等非线性设备带来的谐波危害，本设计使用了抑制谐波的调谐电容电抗器组，以防止电网中谐波的放大，并保护电容器和其他用电设备，提高电能质量。

　　3)三段母线的综合效果为动态无功补偿及谐波滤波，供电可靠，互为备用。

　　2 .1系统构成

　　包括主供电回路,滤波支路(5次，7次),TCR相控电抗器,其中主供电回路内包括：高压真空柜四台，高压PT柜一台，高压隔离柜一台.

　　滤波支路(5次，7次)内容包括：滤波电容器，滤波电抗器，保护装置等。 无功补偿装置内容包括:晶闸管,电抗器，电容器，自动补偿器，保护控制装置等。TCR相控电抗器内容包括:相控电抗器，控制器(配触摸屏)微机保护系统。

　　2.2.1 1,2#母线上无源滤波，TCR系统的补偿原理。

　　无源滤波，TCR系统由三部分组成：5.7次滤波回路，TCR相控电抗器，控制保护系统。系统框图如下图所示。无源滤波器这种补偿方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单. TCR相控电抗器用于平衡系统中由于负荷的波动所产生的感性无功功率。相控电抗器提供系统所需要的感性无功功率，稳定负载冲击所产生的电压波动，控制保护系统包括两个方面：整个系统的控制保护，相控电抗器的调相保护。

　　TCR的基本结构:两个反相并联的晶闸管与一个电抗器相串联，而三相多采用三角形联结。

　　这样的电路并联到电网上，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。吸收谐波电流和无功功率随着控制角的增加而减少，实现调节无功的目的。负荷的变化由T CR所产生的变化无功功率加以平衡，使得两都之和总是维持为常数，此常数感性无功功率被滤波器容性无功相抵销。5次基波补偿容量为250，277kvar，7次基波补偿容量为217，180kvar;可以实现0~494，431kvar连续动态可调,最终使电网的功率因数达到供电局标准的要求。

　　(1) 无源滤波器

　　滤波支路是在并联电容器上串联滤波电抗器构成,根据负荷谐波含量的不同组成若干组不同的补偿滤波支路，负载所产生的特征谐波主要是5，7次。

　　(2) TCR相控电抗器

　　三相接线采用三角型联结，这种接线形式中的电流谐波含量小，电抗器的容量大于连续动态可调值，分别是450kvar,500kvar.

　　2.3 3#母线去谐装置无功补偿原理。

　　电网和负载特性分析;负荷计算，补偿容量确定;补偿柜步级设计;补偿方案的确定(普通或动态，有无电抗器);关键元器件选型;完成一次图设计

　　按变压器额定容量估算：

　　一般情况下，

　　可以按变压器额定容量的20%~40%，做为系统补偿的总容量;

　　如2000KVA的变压器，可以按30%来估算补偿容量，

　　补偿容量为Qc=600Kvar

　　补偿后系统CosΦ2=0.97

　　去谐滤波器补偿方案电抗率7% (或5.67% ) - 针对工业项目(5th以上谐波);去谐方案非常安全，可以满足绝大多数项目的要求;已采用了去谐滤波器补偿方案，虽然功率因数达标，但谐波含量超标;可以考虑加有源滤波器的方案;采用接触器投切方案(所谓的“慢速”补偿);

　　针对频繁变化的负载(如焊机、电梯、注塑机、吊车等)，采用晶闸管投切方案(所谓的“快速”实时补偿)

　　补偿柜内几部分构成：熔断器,电容器, 晶闸管,控制器，电抗器无源滤波装置实际电抗器配比,串联调谐电抗器在调谐频率fh 处的配比计算XL /Xc=1/h2

　　XL为电抗器基波感抗;

　　Xc为电容器基波容抗;

　　h为谐波的次数

　　在低压三相系统中，5次和7次谐波是最为严重的，去谐电容器被用于受谐波影响的电网的功率因数校正，此时由电力电容器和扼流器组成串联谐振电路，调谐该电路的串联谐振频率使之低于电网最小谐振波频率。对高于串联谐振频率的频率串联电路呈感性，这就避免了与电网电感发生谐振，根据所选择的串联谐振频率，部分谐波电流可由去谐电力电容器吸收。剩余谐波电流则流入上级系统。去谐电力电容器有助于减少由谐波引起的电压畸变并减轻对其它电子负载正常工作的干扰。

　　2.4无功补偿及谐波滤波系统的容量计算。

　　(1)谐波计算理论依据

　　1)电动机额定容量

　　Sn=(Sqrt(3)KuKiKtPdn/d

　　式中 Kuu-变压器电压计算系数，取1;

　　Ki-变压器电流计算系数,12脉冲取0.789;

　　Kt=电动机过载倍数，取1;

　　Pdn-电动机额定功率，KW;

　　2)谐波估算实侧

　　12脉冲变流器

　　特征谐波电流含量 非特征谐波电流含量

　　根据实测总谐波畸变率THDi来确定补偿电容器的参数，见表

　　THDi.S/Sn<5%标准电容器;5%<5THDi.S/Sn<10%电容器额定电压增加10%;10%<5THDi.S/Sn<20%电容器额定电压增加10%，并配置谐波抑制电抗器

　　注：1.Sn为变压器视在功率。2.为变压器副边实测的视在功率(满负荷且不带电容器)。3

　　THDi为变压器副边实测的电流畸变率。

　　(2)补偿容量的选择

　　本无功补偿及谐波滤波装置的业主根据实测及同类设备经验设计。具体型号和参数由厂家内部数据提供。国内一般采用仿真软件，目前在世界范围内广泛采用.

　　补偿和滤波装置未投入运行前可预知其运行时的各项电力技术指标。经过调整可以设计出较为理想的无功补偿及谐波滤波装置,避免了盲目性，对装置的设计质量起到了保证作用。

　　1)1,2#母线调谐滤波系统

　　考虑到安全性，在不知道将来实际谐波的情况下，要慎重采用;极少数谐波非常严重的情况下，可以考虑采用调谐滤波器方案;装置投入运行后的平均功率因数按0.95计算,则装置的技术参数选定如下：装置名称为TCR相控电抗器BKSG-500(450)//0.4,补偿点在400V:装置容量为无源滤波器705kvar,810kvar,TCR为492kvar,431kvar,

　　2)3#母线去谐滤波系统

　　采用单电容器补偿方案(无去谐电抗器)，随负载的更新换代后，电容器损坏严重;

　　去谐方案中,电抗率7% 、5.67%、14%的区别, 装置投入运行后的平均功率因数按0.92计算,则装置的技术参数选定如下:补偿TSM-LC50 + B44066D7050S400+ 2×MKK525-D-40-01)+ EW-22总计16组控制器采用BR6000-T12,补偿点额定电压为400V，装置容量为800kvar.

　　3)1,2#母线调谐装置容量及产生高次谐波的电流值：

　　串联型调谐电抗器配比计算。在调谐频率Fh处：XL=XC/H2式中XL-电抗器基波感抗值;Xc-电容器基波容抗值;H理论调谐次数。

　　在确定电抗器容量时，应使实际调谐频率不于理论调谐频率,以避免发生系统局部谐振。

　　系统谐振频率计算。H=SCC/QC式中Q-电容器的额定容量(Mvar);Scc-母线短路容量(

　　MAV.A).补偿容量的分组应避开系统谐振点。电容器容量的增加，导致谐振频率向低值偏移

　　;反之，系统短路容量的增加，见导致谐振频率向高值偏移。

　　串联调谐滤波器。由电容器和电抗器串联而成，用于调谐较低次的谐波频率处。该滤波器阻抗对较低处的谐波率呈容性，高阻抗，对较高次的谐波频率呈感性，低阻抗，即在低于调谐频率时呈高阻特性。用无源滤波器不能有效工作时，宜选用有源滤波器.

　　1#母线5次滤波支路450kvar,基波补偿277kvar，7次滤波支路360kvar,基波补偿217kvar，TCR500kvar,可实现0~494kvar;2母线5次滤波支路405kvar,基波补偿250kvar，7次滤波支路300kvar,基波补偿181kvar，TCR450kvar,可实现0~431kvar。

　　对于1,2#母线调谐滤波装置安装后效果十分明显，谐波电压总畸变,注入系统残余谐波电流,400V母线电压波动，功率因数均能达到国标要求。

　　(4)3段母线去谐装置的效果对比

　　提高系统功率因数;

　　_ 降低系统谐波电压和电流的畸变;

　　_ 降低电能损耗，节省电费，效果明显;

　　近似相当于节省一台400KW的负荷用电;

　　按1元/ Kwh电费估算，系统50%的使用率(包括峰谷电费等因素);

　　一年可以节省电费：

　　400KW×24h×30天×12月×1元/ Kwh ×0.5 = 172.8万元;

　　不到半年就可以回收成本;

　　_ 稳定生产供电;

　　_ 避免闪变;

　　_ 避免峰值负荷需求;

　　(5)控制系统

　　相控电抗器的调相控制及系统保护由控制器TBKB-Y/11-D-S-1(配触摸屏)来实现,去调滤波器的PFC由控制器BR600-T1 2控制器一般只有12路输出，所以无论怎样扩展，回路数一般都不大于12路;

　　4. 比较常规的做法是采用主辅柜“联动”的方式，也就是说，主柜某回路接触器的辅助触点，去带动辅柜的一个回路，这样一来，控制器的这一路输出就是主柜一路加上辅柜联动的那一路;

　　3结论。

　　本人根据根据规范及相关电气资料对工厂配电房无源滤波，去谐装置的设计作了简单介绍，国家经济在快速发展，建筑业也生机勃勃，各类建筑千变万化，但万变不离其中，只有理解了规范，掌握了设计方法，结合实际情况来考虑，才能达到最理想的设计效果。

　　参考文献：

　　1.《全国民用建筑工程设计技术措施节能》2007电气 中国建筑标准设计研究院主编

　　2.《供配电系统设计规范》GB50052-2009 中国计划出版社 中国联合工程公司主编

　　3.《民用建筑电气设计规范》JGJl6-2008 中国建筑工业出版社 中国建筑东北设计研究院主编

　　4.工业与民用配电设计手册(第三版) 中国电力出版社 任元会主编