項(xiàng)目概述

1.1前言

NRTBBL型諧波濾除裝置是專用于高低壓電網(wǎng)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(shè)備等的環(huán)境。該裝置采用了電感和電容器組成串聯(lián)諧振吸收回路，有效的將負(fù)載產(chǎn)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(wǎng)的諧波量，同時有利于用戶電力變壓器的運(yùn)行，降低功耗，提高設(shè)備和其它電器組件的可靠性。此外該設(shè)備還提供一定容量的無功功率補(bǔ)償，提高用戶負(fù)載的運(yùn)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(shù)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(yùn)行和手動操作。

1.2諧波的基本定義及基礎(chǔ)知識

1.2.1領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵詞語的基本概念

★ 諧波：（harmonic） 對周期性交流信號量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數(shù)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(diǎn)：（PCC）用戶接入電網(wǎng)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?jǐn)?shù)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(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備。

★ 感性無功：電動機(jī)，變壓器在能量轉(zhuǎn)換過程中建立交變磁場，在一個周期內(nèi)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(wǎng)中接通時在一個周期內(nèi)，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(shù)：有功功率與視在功率的比值稱為功率數(shù)。

★ 功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)：實(shí)行兩部分電價制度的用電企業(yè)，供電部門根據(jù)用戶平均功率因數(shù)而加收或減免的電費(fèi)，稱為功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)

1.2.2諧波的產(chǎn)生和危害

● 諧波的產(chǎn)生

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

● 諧波的危害

    ★ 影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)式繼電器或新式微機(jī)保護(hù)進(jìn)行檢測保護(hù)，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(chǎn)生誤動作，微機(jī)保護(hù)由于采用了整流采樣電路，也及易受到諧波的影響導(dǎo)致誤動或拒動，這樣諧波嚴(yán)重威脅供電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。

★ 影響電網(wǎng)的質(zhì)量：高次諧波能使電網(wǎng)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(chǎn)生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，增加電路損耗，浪費(fèi)電網(wǎng)容量。

    ★ 影響供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償設(shè)備：供電系統(tǒng)變電站均有無功補(bǔ)償設(shè)備，當(dāng)諧波注入電網(wǎng)時容易造成高壓電容過電流和過負(fù)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(zhì)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(shè)備：諧波的存在會造成異步電機(jī)電動機(jī)效率下降，噪聲增大；使低壓開關(guān)設(shè)備產(chǎn)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(shè)備的準(zhǔn)確性。

1.2.3治理諧波及補(bǔ)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(wǎng)提供容性無功功率，其重要性主要表現(xiàn)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(shè)備和輸配電設(shè)備中的發(fā)熱，直接節(jié)省有功功率；消除由于諧波產(chǎn)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(lián)形成的，所以在濾波的過程中能向電網(wǎng)注入容性無功，提高了功率因數(shù)，這樣就能避免供電部門高額的功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)，由于無功電流的抵消，也相當(dāng)于提高了配電設(shè)備的容量，減少了線損。無功功率補(bǔ)償還能提升末端的電網(wǎng)電壓，對優(yōu)化用電環(huán)境有很重要的意義。

    在設(shè)計濾波器時，首先應(yīng)滿足各種負(fù)載水平下對諧波限制的技術(shù)要求，然后在次前提下，使濾波器在經(jīng)濟(jì)上最為合理。除以上經(jīng)濟(jì)分析外，設(shè)計濾波器還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

1）單調(diào)濾波器的諧振頻率會因電容，電感參數(shù)的偏差或變化而改變，電網(wǎng)頻率會有一定的波動，這將導(dǎo)致濾波器失諧。設(shè)計時應(yīng)保證在正常波動情況下濾波裝置仍能滿足各項(xiàng)要求。

2）電網(wǎng)阻抗與濾波裝置有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設(shè)計時應(yīng)充分予以考慮。

第二章  方案設(shè)計

2.1 設(shè)計依據(jù)

2.1.1業(yè)主提供的技術(shù)數(shù)據(jù)及要求

2.1.1.1系統(tǒng)電源

根據(jù)用戶提供的供電系統(tǒng)資料可知，企業(yè)進(jìn)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(fù)荷

1）中頻爐變壓器裝機(jī)容量

總裝機(jī)容量為2500KVA，變壓器容量見下表：(表一)

2）負(fù)荷性質(zhì)

企業(yè)主要諧波負(fù)荷為中頻爐，變壓器容量2500KVA,脈動數(shù)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(bǔ)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(zhì)量考核點(diǎn)（ PCC）

電能質(zhì)量考核點(diǎn)（ PCC）設(shè)在10kV計量點(diǎn)。

2.1.1.5電能質(zhì)量考核指標(biāo)

PCC 點(diǎn)月平均功率因數(shù)≥0.95；電能質(zhì)量滿足國標(biāo)要求。

PCC 點(diǎn)諧波電流滿足國標(biāo)《電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波》（ GB/T14549－93）的規(guī)定。

2.1.1.6  濾波方案

中頻爐投入運(yùn)行時會產(chǎn)生大量諧波電流，引起電網(wǎng)側(cè)波形畸變。本方案擬采用集中濾波治理方案，在10kV母線上設(shè)置一套濾波裝置，以改善正弦電壓波形畸變，同時提高電網(wǎng)功率因數(shù)。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(jù)GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)）

（表二）

2.2 設(shè)計要達(dá)到的技術(shù)要求

根據(jù)業(yè)主的要求，在10KV用戶側(cè)進(jìn)行高壓無功功率補(bǔ)償及諧波治理，接在用戶自備的電容器出線開關(guān)柜下，濾波補(bǔ)償后進(jìn)線側(cè)的平均功率因數(shù)大于0.95，諧波電流達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

l        考核點(diǎn)（PCC）：10KV計量處。

l        考核指標(biāo)：

1)      月平均功率因數(shù)：＞＝0.95。

2)      諧波電流不超過國標(biāo)限值（GB／T14549－93），如表3

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

表3注入PCC點(diǎn)各次諧波電流限值

注：當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于表2基準(zhǔn)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(diǎn)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(shè)計遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)

2.3.1總設(shè)計及制造標(biāo)準(zhǔn)：

電能質(zhì)量　　公用電網(wǎng)諧波 GB/T14549-1993

電能質(zhì)量　　電壓波動和閃變 GB12326-2008

電能質(zhì)量　　供電電壓允許偏差 GB12325-2008

電能質(zhì)量  三相電壓允許不平衡度   GB/T 14543-2008

《鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計手冊》

GB50227-95    《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》

DL/T620-1997  《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》

國標(biāo)GB1985      《交流電壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)》

國標(biāo)GB1207      《電壓互感器》

國標(biāo)GB/T5356    《電壓互感器試驗(yàn)導(dǎo)則》

國標(biāo)GB1028      《電流互感器》

IEC185           《電流互感器》

IEC289           《電抗器》

國標(biāo)JB/T5356     《電流互感器試驗(yàn)導(dǎo)則》

國標(biāo)GB11032-98   《交流無間隙金屬氧化物避雷器》

國標(biāo)GB10229      《電抗器》

高壓無功補(bǔ)償控制器定貨技術(shù)條件 DL/T597-1996

電氣裝置安裝工程　接地裝置施工及驗(yàn)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(yàn)收規(guī)范 GB50171-92

高壓電器外殼防護(hù)等級 GB5013.1-1997

高壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 GB7251.1-1997

高壓電器電控設(shè)備 GB4720-1984

2.4 方案設(shè)計、仿真分析及設(shè)備選型

2.4.1 10KV側(cè)濾波方案設(shè)計、仿真分析及設(shè)備選型

2.4.1.1基波補(bǔ)償容量及安裝容量的確定

按用戶要求，將高壓總進(jìn)側(cè)系統(tǒng)功率因數(shù)調(diào)整到0.95左右（設(shè)計目標(biāo)值為0.95）,即高壓無源濾波裝置無功補(bǔ)償量不低于1000kvar。

根據(jù)用戶提供的設(shè)計資料，我公司進(jìn)行諧波數(shù)據(jù)分析，結(jié)合我公司以往對其它同類型項(xiàng)目的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，通過計算、修正及仿真，本方案設(shè)計在10KV母線加裝一套濾波補(bǔ)償裝置，設(shè)計單套濾波裝置安裝容量為3870kvar（取自然功率因數(shù)為0.8，目標(biāo)功率因數(shù)為0.95）在滿足濾波的同時，不會造成過補(bǔ)，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(bǔ)償。同時為抑制電壓波動和調(diào)節(jié)正負(fù)無功加配一套10KV SVG無功發(fā)生器，SVG 容量為1000千乏。

濾波補(bǔ)償裝置的一次接線圖如下圖所示：

10KV側(cè)補(bǔ)償裝置方案：綜合考慮，濾波回路設(shè)計方案確定為單調(diào)諧方式。由于考慮到正常生產(chǎn)時產(chǎn)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(shè)備的正常工作的要求，本設(shè)計方案采用濾波補(bǔ)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(jī)軟件仿真分析及校驗(yàn)

采用4頻率點(diǎn)濾波，用計算機(jī)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(bǔ)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(chǎn)生有害的放大作用。

1)計算機(jī)仿真軟件根據(jù)以下算法（其中一部分計算公式）進(jìn)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(fù)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(fù)載阻抗，計算 系統(tǒng) 和 濾波補(bǔ)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(jī)仿真軟件根據(jù)以下公式進(jìn)行計算模擬仿真，單調(diào)諧濾波器的總阻抗計算方法如下：

Z_T =

   計算機(jī)仿真計算濾波效果數(shù)據(jù)

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(diǎn)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(bǔ)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(dāng)投入濾波器后的諧波均沒超過標(biāo)準(zhǔn)值。

2.4.1.4濾波回路元件參數(shù)

10KV濾波電容器額定參數(shù)

1）濾波器電容器內(nèi)部故障及成套保護(hù)

a.    開口三角電壓保護(hù)

b.    氧化鋅避雷器抑制過電壓保護(hù)

c.    電容器外熔絲保護(hù)

d.    放電線圈放電保護(hù)

e.    過電流保護(hù)

短路保護(hù)利用上級開關(guān)柜的保護(hù)裝置。

2） 對濾波器的監(jiān)控要求

由于濾波器整體對10KV調(diào)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(jìn)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(gòu)成

● 單臺電容器至母線或熔斷器的連接線采用軟導(dǎo)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(dǎo)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(shè)備，連接線及機(jī)械結(jié)構(gòu)在耐受短路電流和電容器內(nèi)部極間短路放電電流的作用而不產(chǎn)生熱的和機(jī)械的損傷及明顯變形。

● 裝置中各配套設(shè)備除符合各自的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)外，還滿足GB50227-95《并聯(lián)電容器裝置設(shè)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(guān)柜電纜進(jìn)線方式為電纜下進(jìn)線。柜內(nèi)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(bǔ)償運(yùn)行后檢測數(shù)據(jù)：