整 流
35kV 整流系统的谐波治理经验及提高功率因数的方法
何伟峰*, 孟金甫, 牛 超
(河南神马氯碱化工股份有限公司, 河南平顶山467001
[关键词]整流; 非线性负载; 谐波畸变; 无功补偿
[摘 要]介绍了河南神马氯碱化工股份有限公司35kV 整流系统的谐波治理经验, 提出了提高功率因数的方法。
[中图分类号]TM 46 [文献标志码]B [文章编号]1008-133X (2011 03-0004-04
Experience of controlling har m onic in 35kV rectification syste m and
m ethods to increase power factor
HE W eifeng, MENGJ inpu, N IU Chao
(Henan Shenm a Chlor A l k ali Che m ical Industr y Co . , Ltd . , Pingd i n gshan 467001, China
K ey word s :rectification ; non li n ear load ; har m on i c d istortion ; reacti v e po w er co m pensati o n
Abstrac t :
Experience o f con tro lling har m on ic i n 35kV rectification syste m of H enan Shenm a
Chlor A l k ali Che m ica l I ndustry Co . , Ltd .
i s i n troduced, and t h e m ethods to i n crease po w er factor are
proposed .
氯碱企业整流设备较多, 基于负载非线性和波形非正弦的特点, 由电力电子器件组成的整流设备的电源侧(网侧 的电流不仅含有基波, 还包含丰富的谐波, 谐波污染给用电网和用电设备带来的不良影响日益显著[1-5]
。河南神马氯碱化工股份有限公司(以下简称 神马氯碱股份 2007年取消金属阳极电解装置改为离子膜法烧碱生产装置后, 3#
整流变压器(以下简称 整流变 由原来的7147kVA 增大到22000kVA 。原来的4台整流变压器的移相角分别为+7. 5 、-22. 5 , -7. 5 、+22. 5 , +7. 5 、-22. 5 , -7. 5 、+22. 5 , 且变压器的容量接近, 因而形成近似等效24相整流电路, 这是减小
谐波对电网污染的有效措施。由于3#
整流变容量的增大, 不能再构成等效24相整流电路, 从而使110kV 变电站35kV 母线高次谐波超标、功率因数达不到供电系统要求的指标, 谐波污染增大, 使现有的低压无功补偿装置无法正常投入, 功率因数只有
0. 86, 远远低于供电部门规定的0. 9的惩罚指标, 使神马氯碱股份成为平顶山供电区电网的谐波污染大户, 每月需向供电部门缴纳力调电费20余万元。另外, 超标高次谐波会导致供电系统内电气元件发热量增多, 电能消耗增大, 设备运行的安全性能降低。因此, 神马氯碱股份通过在线测量和分析找出谐波源, 计算出谐波畸变率, 选择合理的滤波器和无功补偿装置, 使谐波得到抑制, 功率因数得以提高, 有力保障了企业供电的安全性。神马氯碱股份现有1台三线圈主变为SZ -56000KVA, 110/35/10KV。110kV 母线最小短路容量为1004MVA, 35kV 母线最小短路容量为253. 4MVA, 10kV 母线最小短路容量为183. 4MVA 。其中35kV 母线电压等级主供整流负载, 10k V 电压等级主供低压动力负荷。35kV 母线共有7路配出负荷, 性质及换相角 、功率因数cos 、最大有功功率P m ax 、最大无功功率Q max 等参数如下:
第47卷 第3期2011年3月
氯碱工业
Chlor A lkali I ndustry
Vo. l 47
, No . 3M ar . , 2011
*
[作者简介]何伟峰(1972 , 男, 1995年毕业于平顶山学院物理系, 先后于河南神马氯碱化工股份有限公司电仪厂、
调度室、设备能源处和电仪厂工作, 现任电仪厂副厂长; 一直从事电气维修及大量的技改扩规项目; 2008年获得 河南省五一劳动奖章 、 平顶山市五一劳动奖章 和 河南省十大能工巧匠 荣誉称号, 2009年为 河南省劳动模范 。
[收稿日期]2009-02-03(修回日期2011-01-15
(1 回路1:cos =0. 880~0. 0; P max =9. 794MW; Q max =5. 060M var 。(2 回路2:cos =0. 910~0. 920; P max =6. 499MW; Q max =2. 912M var 。(3 回路3:cos =0. 9~0. 170; P max =13. 055MW; Q max =6. 348M var 。
(4 回路4:cos =0. 900~0. 926; P max =6. 459MW; Q max =3. 120M var 。(5 树变回路:cos =0. 810~0. 850; P max =3. 900MW; Q max =2. 590M var 。
(6 所用变:50k VA 。(7 电容器回路:暂无负荷。
1 改造的技术要求
(1 10kV 母线补偿, 暂时不需考虑, 因在其低压400V 侧已加装无功补偿装置。
(2 补偿后110kV 母线功率因数cos 0. 92。
(3 滤波兼无功补偿装置投运后, 35kV 母线的谐波电压总畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率均满足中华人民共和国 电能质量公用电网谐波 (GB /T14549 1993 的要求。
(4 滤波兼无功补偿装置投运后, 35kV 母线的各次谐波电流满足中华人民共和国 电能质量公用电网谐波 (GB /T14549 1993 的要求。
2 设计方案
在整流系统中, 由于谐波的产生, 整个运行期间功率因数偏低, 这些都会给电网的运行和效率带来不良的影响, 同时也会给接在该公用电网中其他用电设备带来一些不良影响甚至危害。这些不利影响主要表现为: 平均功率因数低; 产生谐波电流。2. 1 功率因数低的不良影响2. 1. 1 大量无功造成的危害
大量无功使系统功率因数较低, 浪费大量能源。变流设备的自然功率因数较低, 造成以下危害。 增加供电线路的损失, 而为了减少损失则必须增大供电线路导线的截面积, 增加投资。 增加线路上的电压损失, 降低了电压质量。 降低发、供电设备的有效利用率。 增加企业的电费支出, 加大生产成本; 供配电系统电能损耗增加, 配电设备利用率下降, 企业电费支出增加, 降低了企业经济效益。2. 1. 2 谐波电流对电气设备的危害
(1 谐波对供电变压器的影响。谐波对供电变压器的影响主要是产生附加损耗, 温升增加, 出力下降, 影响绝缘寿命。
(2 谐波对旋转电动机的影响。谐波对旋转电
动机的主要影响是产生附加损耗, 其次产生机械振动, 噪声和谐波过电压。
(3 谐波对并联电容器的影响, 当产生谐波放
大时, 并联电容器将因过电流及过电压而损坏, 严重时将危及整个供电系统的安全运行。
(4 谐波对变流装置的影响。交流电压畸变可能引起变流设备控制角的时间间隔不等, 并通过反馈而放大系统的电压畸变, 使变流器工作不稳定, 而对逆变器则可能发生换流失败而无法工作, 甚至损坏变流设备。
(5 谐波对通信产生干扰, 电度计量产生误差。
(6 谐波对继电保护自动装置和计算机等也将产生不良影响。
由以上分析可以看出, 变流设备产生的大量谐波电流和无功会对用户本身及电网用电设备造成较严重的谐波污染。这不仅带来运行隐患, 威胁电网的安全稳定运行, 还会给其他电气设备的运行带来不利影响。2. 2 补偿容量计算
(1 35kV 母线有功无功统计情况见表1。
表1 35kV 母线有功无功统计表Table 1 Statisti cs of active po wer and
reactive power of 35kV bus
名称或条件P m ax /MW Q m ax /M var cos S /MVA
回路19. 7945. 0600. 880回路26. 4992. 9120. 910回路313. 0506. 3480. 9回路46. 4593. 1200. 900树变回路3. 9002. 5900. 810所内变0. 028
0. 0210. 800
0. 035主变损耗2. 800K p =0. 85、K q =0
. 9033. 80020. 600
0. 854
40. 000
注:电容器回路无数据。 视在功率。 有功同时利用系数。 无功同时利用系数。
(2 无功补偿量计算
cos 1=0. 854, tan 1=0. 609; cos 2=0. 920, tan 2=0. 426。补偿前35kV 母线有功功率: P =33. 8MW 。需补偿的无功功率:Q c = P (tan 1-tan 2 =6. 19(Mvar 。综合考虑各种可能的情况, 选择高压无功补偿兼滤波装置的有效补偿容量为7. 4M var 。在此情况下, 110kV 母线功率因数为0. 93, 当母线负荷略有增加时, 应能满足补偿要求。
2. 3 谐波电流分析
(1 谐波叠加计算原则。
第3期
何伟峰:整流系统的谐波治理经验及提高功率因数的方法
整 流
根据国家标准 电能质量公共电网谐波 GB /T14549-1993, 先计算每台电动机发生的谐波量, 然后对多个谐波源的同次谐波电流进行叠加计算。
(2 同次谐波电流相位角确定时按式(1 计算:I n =
1n +I 2n +2I 1n I 2n cos n 。
(1
其中:I 1n 为第1个谐波源的n 次谐波电流, A; I 2n 为第2个谐波源的n 次谐波电流, A; cos n 为2个谐波源谐波电流之间的相位角, 。
相位角不能确定时, 则:
I n =
1n
+I 2n
+k n I 1n I 2n 。
(2
当谐波次数n 为3、5、7、11、13时, k n 取值分别为1. 62、1. 28、0. 72、0. 18、0. 08; 当n 为9、>13的奇数以及n 为偶次时, k n 取值为0。2. 4 负载产生的谐波电流
(1 回路1注入35kV 的谐波, 当谐波次数n 为3、5、7、11、13、17、19、23、25时, 谐波电流值分别为0. 31、0. 74、0. 71、11. 30、8. 30、0. 43、0. 37、2. 60、1. 60A 。
(2 回路2注入35kV 的谐波, 当谐波次数n 为3、5、7、11、13、17、19、23、25
时, 谐波电流值分别为0. 38、0. 70、0. 36、6. 20、4. 00、0. 10、0. 10、1. 70、1. 40A 。(3 回路3注入35kV 的谐波, 当谐波次数n 为3、5、7、11、13、17、19、23、25时, 谐波电流值分别为3. 4、7. 0、4. 2、15. 1、10. 3、2. 5、2. 1、2. 0、1. 9A 。
(4 回路4注入35kV 的谐波, 当谐波次数n 为3、5、7、11、13、17、19、23、25时, 谐波电流值分别为0. 8、0. 90. 7、9. 6、5. 9、0. 2、0. 2、2. 3、1. 9A 。
(5 树变回路注入35kV 的谐波, 当谐波次数n 为3、5、7、11、13、17、19、23、25时, 谐波电流值分别为0. 3、1. 0、0. 5、1. 8、1. 0、0. 5、0. 3、0. 7、0. 6A 。
(6 根据谐波叠加计算原则, 可得35kV 母线所有负荷注入母线的总谐波电流:当谐波次数n 为3、5、7、11、13、17、19、23、25时, 谐波电流值分别为4. 9、9. 2、5. 1、24. 1、15. 7、2. 6、2. 2、4. 4、3. 5A 。2. 5 国标限值
谐波电压及谐波电流标准 电能质量公共电网谐波 (GB /T14549 1993 如下:电网标称电压35k V, 电压总谐波畸变率3. 0%, 奇次谐波电压含有率2. 4%, 偶次谐波电压含有率1. 2%。注入公共连接点35kV 和110kV 谐波电流允许值见表2和表3。对比2. 4中所述35kV 母线负载产生的的总谐波电流和表2、表3中所示国标限值可知, 5、11、13等次谐波电流超过国标要求, 必须进行治理。表2 注入公共连接点35kV 谐波电流的允许值Tab le 2 A ll owab le value of 35kV har m on ic cu rren t
injecting i n to co mm on con tacts
谐波次数 短路容量/M VA
250253S i /S
f =0
. 523456
78
910111213141516171819202122232425
15. 012. 07. 712. 05. 18. 83. 84. 13. 15. 62. . 72. 22. 51. 93. 61. 73. 21. 51. 81. 42. 71. 32. 5
15. 012. 07. 812. 05. 2
8. 93. 94. 23. 15. 72. . 8
11. 06. 55. 56. 83. 7
5. 42. 72. 92. 23. 91. 93. 3
注:注入公共连接点的35kV 电压为标准电压。 谐波电流畸变功率, kW; 短路功率, k W 。
表3 注入公共连接点110kV 谐波电流的允许值Tab le 3 A ll owab le value of 110kV harmon ic curren t
injecting i n to co mm on con tacts
谐波 短路容量/M VA 次数 750 1004 谐波 短路容量/M VA 次数 750 1004
23456
710111213
12. 09. 66. 09. . 06. 83. 03. 22. 44. 32. 03. 7
16. 013. 08. 013. 05. 49. 14. 04. 33. 25. 82. 75. 0
1415161718
19202122232425
1. 71. 91. 52. 81. 32. 51. 21. 41. 12. 11. 01. 9
2. 32. 52. 03. 71. 73. 31. 61. 91. 52. 81. 32. 5
注:注入公共连接点的35kV 电压为标准电压。
3 滤波器设计
3. 1 滤波器设计原则
(1 滤波器发出的无功应满足补偿功率因数、抑制电压波动及闪变的要求。
(2 选取的滤波电容器的额定电压应保证滤波
整 流 氯碱工业 2011年
器的安全可靠运行, 须考虑以下4个因素: 母线电压水平; 串联电抗器后电容器2端电压升高; 谐波电流通过电容器引起的谐波电压; 电网电压波动引起电压升高。
(3 滤波器分组应满足滤除谐波电流要求。(4 设计滤波器时应进行充分的计算机仿真计算及数据库选优, 经多个方案比较, 选择最佳方案。
(5 对选定的滤波器应进行滤波器各种运行方式下的计算机仿真, 避免与系统发生谐振。
(6 对滤波器的安全运行应进行仔细校验。3. 2 滤波器设计
根据以上滤波器设计原则, 谐波电流分析, 经过计算机的多个方案仿真计算比较择优, 滤波器设5、7、11次共3组滤波通道。总安装容量约12M var , 基波补偿容量约7. 4M var , 从滤波效果仿真结果分析, 设5、7、11次共3组滤波通道后, 母线谐波电流全部满
足国标要求。
表4 滤波器参数配置
Table 4 Para m eter configuration of filter
滤波支路
安装容量/
kvar 电容器额定容量/kvar
电容器串、并联数/
台/相三相电容器总安装数量/台
基波补偿容量/kvar 电抗器额定电压/
kV 电抗器安装数量/台
536001504串2并242265353724001004串2并241480353116000250
4串2并
24365435
3合计
12000
72
7399
9
3. 2. 1 装置主要设备和元器件参数
3. 2. 1. 1 滤波电容器的主要技术条件
型号:AAM 型全膜。 类型:内置熔丝、内置放电电阻。 环境温度:45 。 出线方式:双套
管。 温度系数:绝对值 0. 0004K -1
。 电容器的损耗正切角值<0. 0005。 电容器外壳的耐爆裂能量>12kJ 。 成组电容器间电容误差<1%, 每相电容器电容值与额定值偏差<1%。 过压能力:1. 1倍额定电压; 过流能力:1. 3倍额定电流。
3. 2. 1. 2
滤波电抗器的主要技术条件
型号:LKGKL-35; 型式:空气自冷、干式、空芯、铝导线、双线圈结构(每相 、环氧树脂浇灌、
外涂抗紫外线涂层、电感值连续可调 5%、电感值制造偏差小于1%; 绝缘耐热等级:B 级; 长期过流倍数:1. 3; 环境温度:45 。该次改造利用原35kV 变电站升压后旧设备退出空间, 于2008年1月安装调试并在2月份投入运行, 装置投运后经过半年的测量、计算, 得出如下结果:35kV 母线的谐波电压总畸变率、奇次谐波电压含有率、偶次谐波电压含有率均满足中华人民共和国 电能质量公用电网谐波 (GB/T14549 1993 的要求。3. 2. 2 谐波电流
110kV 侧最小短路容量750MVA 测量值与95%概率值比较见表5。注入35k V 母线的各次谐波电流满足中华人民共和国 电能质量公用电网谐波 (GB/T14549 1993 的要求。
4 功率因数
110kV 母线经补偿后, 月平均功率因数cos
0. 93; 35kV 母线经补偿后, 月平均功率因数
cos 0. 95。该装置运行以来, 仅力调电费每月为公司减少支出28万元, 神马氯碱股份电气系统发热问题迎刃而解, 供电安全性和可靠性大大提高, 产生了良好的经济和社会效益。
表5 110kV 侧最小短路容量750M VA 测量值与
95%概率值比较T ab le 5 Co m par ison of
m in i m um short circu it capacity of 750MVA at 110kV si de be t ween m easured value and 95%p robab ility
谐波次数 国标限值 95%概率数值谐波次数国标限值95%概率数值
1102. 40. 0862
12. 00. 875
11
4. 31. 612
39. 60. 769122. 00. 09546. 01. 167133. 72. 27759. 62. 424141. 70. 255. 00. 382151. 90. 30376. 80. 821161. 50. 34383. 00. 387172. 80. 4269
3. 2
0. 431
18
1. 3
0. 339
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[编辑:费红丽]
第3期
何伟峰:整流系统的谐波治理经验及提高功率因数的方法
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