項目概述

1.1前言

NRTBBL型諧波濾除裝置是專用于高低壓電網3次、5次、7次、11次、13次及以上的諧波無源濾波裝置。適用于中頻冶煉、變頻、軋鋼、整流設備等的環(huán)境。該裝置采用了電感和電容器組成串聯諧振吸收回路，有效的將負載產生的諧波加以吸收，從而避免將諧波電流返送到電力變壓器，大大降低電網的諧波量，同時有利于用戶電力變壓器的運行，降低功耗，提高設備和其它電器組件的可靠性。此外該設備還提供一定容量的無功功率補償，提高用戶負載的運行效率。該裝置分綜合控制柜和電抗電容框架，視用戶要求不同，配置的濾除諧波次數也不同。通常一套NRTBBL系統(tǒng)可濾除4種諧波。系統(tǒng)的操作可分自動運行和手動操作。

1.2諧波的基本定義及基礎知識

1.2.1領域內關鍵詞語的基本概念

★ 諧波：（harmonic） 對周期性交流信號量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數倍的分量。我國供電系統(tǒng)頻率為50Hz，所以5次諧波的頻率為250 Hz。7次諧波的頻率為350 Hz。11次諧波的頻率為550 Hz，13次諧波的頻率為650 Hz。

★ 公共連接點：（PCC）用戶接入電網的連接處。

★ 總諧波畸變率：（THD）周期性交流量的諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比（用百分數表示）。電壓總諧波畸變率以THDU表示，電流總諧波畸變率以THDI表示。

★ 諧波源（harmonic source）：向公用電網注入諧波電流或在公用電網中產生諧波電壓的電氣設備。

★ 感性無功：電動機，變壓器在能量轉換過程中建立交變磁場，在一個周期內吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率叫感性無功功率。

★ 容性無功電容器在交流電網中接通時在一個周期內，上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，不消耗能量，這種充放電功率叫容性無功功率。

★ 功率因數：有功功率與視在功率的比值稱為功率數。

★ 功率因數調整電費：實行兩部分電價制度的用電企業(yè)，供電部門根據用戶平均功率因數而加收或減免的電費，稱為功率因數調整電費

1.2.2諧波的產生和危害

● 諧波的產生

諧波主要是由于大容量整流或換流設備以及其它非線性負荷，導致電流波形畸變造成的。我們對這些畸的變交流量進行傅立葉級數分解，即可得到50Hz的基波分量和頻率為基波分量整數倍的諧波分量。

● 諧波的危害

    ★ 影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行：供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器，一般采用電磁繼電器，感應式繼電器或新式微機保護進行檢測保護，在系統(tǒng)中這些屬于敏感元件，繼電器受到高次諧波的影響容易產生誤動作，微機保護由于采用了整流采樣電路，也及易受到諧波的影響導致誤動或拒動，這樣諧波嚴重威脅供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。

★ 影響電網的質量：高次諧波能使電網的電壓與電流波形發(fā)生畸變，另外相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，增加電路損耗，浪費電網容量。

    ★ 影響供電系統(tǒng)的無功補償設備：供電系統(tǒng)變電站均有無功補償設備，當諧波注入電網時容易造成高壓電容過電流和過負荷，使電容異常發(fā)熱：另外諧波的存在還會加快電容器絕緣介質的老化，縮短電容的使用壽命。

★ 影響電力變壓器的使用：諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用效率；還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。

  ★ 影響用電設備：諧波的存在會造成異步電機電動機效率下降，噪聲增大；使低壓開關設備產生誤動作；對工業(yè)企業(yè)自動化的正常通訊造成干擾，影響電力電子計量設備的準確性。

1.2.3治理諧波及補償無功功率的重要性

采用專門的濾波裝置能夠有效的濾除高次諧波，同時向電網提供容性無功功率，其重要性主要表現在以下方面：

    ★ 濾除高次諧波能夠定化用電環(huán)境，降低視在功率，減少諧波電流在用電設備和輸配電設備中的發(fā)熱，直接節(jié)省有功功率；消除由于諧波產生的震動，延長電器的使用壽命；有效的消除對敏感元件的影響。

★ 由于濾波回路是由電抗器和電容器串聯形成的，所以在濾波的過程中能向電網注入容性無功，提高了功率因數，這樣就能避免供電部門高額的功率因數調整電費，由于無功電流的抵消，也相當于提高了配電設備的容量，減少了線損。無功功率補償還能提升末端的電網電壓，對優(yōu)化用電環(huán)境有很重要的意義。

    在設計濾波器時，首先應滿足各種負載水平下對諧波限制的技術要求，然后在次前提下，使濾波器在經濟上最為合理。除以上經濟分析外，設計濾波器還應注意以下兩點：

1）單調濾波器的諧振頻率會因電容，電感參數的偏差或變化而改變，電網頻率會有一定的波動，這將導致濾波器失諧。設計時應保證在正常波動情況下濾波裝置仍能滿足各項要求。

2）電網阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯諧振的可能，設計時應充分予以考慮。

第二章  方案設計

2.1 設計依據

2.1.1業(yè)主提供的技術數據及要求

2.1.1.1系統(tǒng)電源

根據用戶提供的供電系統(tǒng)資料可知，企業(yè)進線電壓為10kV，10KV短路容量410M。企業(yè)一次接線圖如下：

2.1.1.2 電力負荷

1）中頻爐變壓器裝機容量

總裝機容量為2500KVA，變壓器容量見下表：(表一)

2）負荷性質

企業(yè)主要諧波負荷為中頻爐，變壓器容量2500KVA,脈動數6脈動。

2.1.1.3 濾波器安裝要求

在10kV母線上配置一套10KV無源濾波補償裝置，為抑制電壓波動加配一套10KV SVG無功發(fā)生器，SVG 容量為1000千乏。

2.1.1.4 電能質量考核點（ PCC）

電能質量考核點（ PCC）設在10kV計量點。

2.1.1.5電能質量考核指標

PCC 點月平均功率因數≥0.95；電能質量滿足國標要求。

PCC 點諧波電流滿足國標《電能質量－公用電網諧波》（ GB/T14549－93）的規(guī)定。

2.1.1.6  濾波方案

中頻爐投入運行時會產生大量諧波電流，引起電網側波形畸變。本方案擬采用集中濾波治理方案，在10kV母線上設置一套濾波裝置，以改善正弦電壓波形畸變，同時提高電網功率因數。為抑制電壓波動加配一套10KV SVG無功發(fā)生器，SVG 容量為1000千乏。

2.1.2中頻爐10kV測諧波電流發(fā)生量及考核值如下表：（根據GB/T14549-93標準）

（表二）

2.2 設計要達到的技術要求

根據業(yè)主的要求，在10KV用戶側進行高壓無功功率補償及諧波治理，接在用戶自備的電容器出線開關柜下，濾波補償后進線側的平均功率因數大于0.95，諧波電流達到國家標準。

l        考核點（PCC）：10KV計量處。

l        考核指標：

1)      月平均功率因數：＞＝0.95。

2)      諧波電流不超過國標限值（GB／T14549－93），如表3

3)      三相不平衡度不超過國標GB／T15543－2008的要求1.3%

表3注入PCC點各次諧波電流限值

注：當電網公共連接點的最小短路容量不同于表2基準短路容量時，按下式修正表2中的諧波電流允許值：  I_h=S_k1/S_k2×I_hp …………………………（B1）

測試點處第i個用戶的第h次諧波電流允許值

I_hi=I_hp(Si/Sc)^1/α…………………………（C6）

α值

2.3 設計遵循的主要標準

2.3.1總設計及制造標準：

電能質量　　公用電網諧波 GB/T14549-1993

電能質量　　電壓波動和閃變 GB12326-2008

電能質量　　供電電壓允許偏差 GB12325-2008

電能質量  三相電壓允許不平衡度   GB/T 14543-2008

《鋼鐵企業(yè)電力設計手冊》

GB50227-95    《并聯電容器裝置設計規(guī)范》

DL/T620-1997  《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》

國標GB1985      《交流電壓隔離開關和接地開關》

國標GB1207      《電壓互感器》

國標GB/T5356    《電壓互感器試驗導則》

國標GB1028      《電流互感器》

IEC185           《電流互感器》

IEC289           《電抗器》

國標JB/T5356     《電流互感器試驗導則》

國標GB11032-98   《交流無間隙金屬氧化物避雷器》

國標GB10229      《電抗器》

高壓無功補償控制器定貨技術條件 DL/T597-1996

電氣裝置安裝工程　接地裝置施工及驗收規(guī)范 GB50169-92

電氣裝置安裝工程　盤柜及二次回路施工及驗收規(guī)范 GB50171-92

高壓電器外殼防護等級 GB5013.1-1997

高壓成套開關設備和控制設備 GB7251.1-1997

高壓電器電控設備 GB4720-1984

2.4 方案設計、仿真分析及設備選型

2.4.1 10KV側濾波方案設計、仿真分析及設備選型

2.4.1.1基波補償容量及安裝容量的確定

按用戶要求，將高壓總進側系統(tǒng)功率因數調整到0.95左右（設計目標值為0.95）,即高壓無源濾波裝置無功補償量不低于1000kvar。

根據用戶提供的設計資料，我公司進行諧波數據分析，結合我公司以往對其它同類型項目的設計經驗，通過計算、修正及仿真，本方案設計在10KV母線加裝一套濾波補償裝置，設計單套濾波裝置安裝容量為3870kvar（取自然功率因數為0.8，目標功率因數為0.95）在滿足濾波的同時，不會造成過補，裝置共分為3、5、7、11P次4條濾波支路。主要吸收5，7，11，13次諧波電流同時提供基波無功補償。同時為抑制電壓波動和調節(jié)正負無功加配一套10KV SVG無功發(fā)生器，SVG 容量為1000千乏。

濾波補償裝置的一次接線圖如下圖所示：

10KV側補償裝置方案：綜合考慮，濾波回路設計方案確定為單調諧方式。由于考慮到正常生產時產生的大量諧波電流以及引起的電壓畸變率，為滿足諧波狀態(tài)下設備的正常工作的要求，本設計方案采用濾波補償裝置安裝容量3870kvar。同時為抑制電壓波動加配一套10KV SVG無功發(fā)生器，SVG 容量為1000千乏。

2.4.1.2濾波器的計算機軟件仿真分析及校驗

采用4頻率點濾波，用計算機系統(tǒng)仿真軟件分析比較了多組濾波組合的濾波效果，并從中選出3、5、7，11P次4個濾波支路的組合方式。在相同基波的補償容量下，采用3、5、7、11P次濾波組合有利于吸收系統(tǒng)中的3、5、7、11、13、23、25次諧波，同時對其它次諧波也不會產生有害的放大作用。

1)計算機仿真軟件根據以下算法（其中一部分計算公式）進行計算模擬仿真（本仿真分析按照安裝母線短路容量410MVA），其等效電路如下：

式中，Im為諧波負載（中頻爐）等效為電流源發(fā)出的諧波電流，Ism為流入系統(tǒng)中的諧波電流，Ifm為濾波器吸收的諧波電流。在一般的仿真中，忽略負載阻抗，計算 系統(tǒng) 和 濾波補償支路的諧波電流分流情況。

2）系統(tǒng)基波阻抗計算

Xs=U*U/Sd

式中：U為系統(tǒng)電壓，kV

   Sd為母線最小短路容量，MVA

  3）計算機仿真軟件根據以下公式進行計算模擬仿真，單調諧濾波器的總阻抗計算方法如下：

Z_T =

   計算機仿真計算濾波效果數據

圖1、10KV濾波器阻抗幅頻特性曲線圖

圖2、10KV濾波器阻抗相頻特性曲線圖

圖3、投入濾波器前后考察點諧波電流的比較

圖4、投入濾波器后的諧波濾波率

圖5、濾波器前后諧波電壓比較圖

以上圖示表明高壓濾波補償裝置投入后，10KV系統(tǒng)不會發(fā)生特征諧波頻率放大，系統(tǒng)短路容量小時對諧波電流吸收效果優(yōu)于短路容量大的。由上述圖上可以看出，各次諧波當投入濾波器后的諧波均沒超過標準值。

2.4.1.4濾波回路元件參數

10KV濾波電容器額定參數

1）濾波器電容器內部故障及成套保護

a.    開口三角電壓保護

b.    氧化鋅避雷器抑制過電壓保護

c.    電容器外熔絲保護

d.    放電線圈放電保護

e.    過電流保護

短路保護利用上級開關柜的保護裝置。

2） 對濾波器的監(jiān)控要求

由于濾波器整體對10KV調諧，濾波支路的投入間隔取0.5～1分鐘，投入時從低次往高次按3、5、7、11次的投入順序進行，切除時從高次往低次按11、7、5、3次順序依次切除（切除時無間隔要求）。

3.2系統(tǒng)構成

● 單臺電容器至母線或熔斷器的連接線采用軟導線，其長期允許電流不小于單臺電容器額定電流的1.5倍。

● 電容器套管相互之間和電容器套管至母線或熔斷器的連接線，有一定的松弛度。

● 裝置的所有連接導體，均能滿足動穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的要求。

● 主回路中的電器設備，連接線及機械結構在耐受短路電流和電容器內部極間短路放電電流的作用而不產生熱的和機械的損傷及明顯變形。

● 裝置中各配套設備除符合各自的質量標準外，還滿足GB50227-95《并聯電容器裝置設計規(guī)范》的要求

● 裝置的金屬外露表面有可靠的防腐蝕層。

● 開關柜電纜進線方式為電纜下進線。柜內的二次接線端子排全部采用阻燃材料。

NRSVG+NRTBBL動態(tài)濾波無功補償運行后檢測數據：