中频炉谐波治理，电弧炉谐波治理，电石炉谐波治理，框热炉谐波治理，轧机谐波治理，矿井提升机谐波治理，矿井直流绞车谐波治理，高压变频器谐波治理，密炼机谐波治理，电解槽谐波治理，高频炉谐波治理，点焊接谐波治理，高压谐波滤除兼无功补偿装置

1.1前言

我公司研制生产的高低压无功补偿谐波滤除装置。适用于冶金，化工，纺织，通讯机房设备等的环境。该装置采用了动态过零投切元件，电感和电容器组成串联谐振吸收回路，有效的将负载产生的谐波加以吸收，从而避免将谐波电流返送到电力变压器，大大降低电网的谐波量，同时有利于用户电力变压器的运行，降低功耗，提高设备和其它电器组件的可靠性。此外该设备还提供一定容量的无功功率补偿，提高用户负载的运行效率。系统的操作可分自动运行和手动操作。

1.2谐波的基本定义及基础知识

1.2.1领域内关键词语的基本概念

★ 谐波：（harmonic） 对周期性交流信号量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量。我国供电系统频率为50Hz，所以5次谐波的频率为250 Hz。7次谐波的频率为350 Hz。11次谐波的频率为550 Hz，13次谐波的频率为650 Hz。

★ 公共连接点：（PCC）用户接入电网的连接处。

★ 总谐波畸变率：（THD）周期性交流量的谐波含量的方均根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。电压总谐波畸变率以THDU表示，电流总谐波畸变率以THDI表示。

★ 谐波源（harmonic source）：向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。

★ 感性无功：电动机，变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫感性无功功率。

★ 容性无功电容器在交流电网中接通时在一个周期内，上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫容性无功功率。

★ 功率因数：有功功率与视在功率的比值称为功率数。

★ 功率因数调整电费：实行两部分电价制度的用电企业，供电部门根据用户平均功率因数而加收或减免的电费，称为功率因数调整电费

1.2.2谐波的产生和危害

● 谐波的产生

谐波主要是由于大容量整流或换流设备以及其它非线性负荷，导致电流波形畸变造成的。我们对这些畸的变交流量进行傅立叶级数分解，即可得到50Hz的基波分量和频率为基波分量整数倍的谐波分量。

● 谐波的危害

    ★ 影响供电系统的稳定运行：供配电系统中的电力线路与电力变压器，一般采用电磁继电器，感应式继电器或新式微机保护进行检测保护，在系统中这些属于敏感元件，继电器受到高次谐波的影响容易产生误动作，微机保护由于采用了整流采样电路，也及易受到谐波的影响导致误动或拒动，这样谐波严重威胁供电系统的稳定与安全运行。

★ 影响电网的质量：高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加电路损耗，浪费电网容量。

    ★ 影响供电系统的无功补偿设备：供电系统变电站均有无功补偿设备，当谐波注入电网时容易造成高压电容过电流和过负荷，使电容异常发热：另外谐波的存在还会加快电容器绝缘介质的老化，缩短电容的使用寿命。

★ 影响电力变压器的使用：谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用效率；还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。

  ★ 影响用电设备：谐波的存在会造成异步电机电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备的准确性。

1.2.3治理谐波及补偿无功功率的重要性

采用专门的滤波装置能够有效的滤除高次谐波，同时向电网提供容性无功功率，其重要性主要表现在以下方面：

    ★ 滤除高次谐波能够净化用电环境，降低视在功率，减少谐波电流在用电设备和输配电设备中的发热，直接节省有功功率；消除由于谐波产生的震动，延长电器的使用寿命；有效的消除对敏感元件的影响。

★ 由于滤波回路是由电抗器和电容器串联形成的，所以在滤波的过程中能向电网注入容性无功，提高了功率因数，这样就能避免供电部门高额的功率因数调整电费，由于无功电流的抵消，也相当于提高了配电设备的容量，减少了线损。无功功率补偿还能提升末端的电网电压，对优化用电环境有很重要的意义。

    在设计滤波器时，首先应满足各种负载水平下对谐波限制的技术要求，然后在次前提下，使滤波器在经济上最为合理。除以上经济分析外，设计滤波器还应注意以下两点：

1）单调滤波器的谐振频率会因电容，电感参数的偏差或变化而改变，电网频率会有一定的波动，这将导致滤波器失谐。设计时应保证在正常是谐的情况下滤波装置仍能满足各项要求。

2）电网阻抗变化对滤波装置尤其是其中的单调谐滤波器的滤波效果有较大影响，而更为严重的是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能，设计时应充分予以考虑。

1.3项目业主提供的有关情况

1、  1.5吨炉型号GPRS-1250-700。1.5T中频炉配1250KVA.整流变压器，副边电压750V。整流脉动数为6脉。

2、 中频电源输出功率1100KW，直流电压960V。中频电压1300V。

3、 5次、7次谐波电压≤4% 。5次、7次谐波电流≤4% 。总谐波量≤5%。

 

第二章  方案设计

2.1 设计依据

l        变压器参数

1250KVA  10／0.75KV Ud＝5％  1台

l    系统短路容量：18MVA

l    负载资料：

 

表1 负载参数

变压器参数					负载参数
变压器名称	额度容量（KVA）	数量	一次/二次电压（KV）	连接组别	负载名称	功率	数量(台)
电力变压器	1250	1台	10/0.75KV	Dyn11		1100KW

谐波含量现场测试/估算数据

l          谐波数据分析

用户提供数据：

表2.0.75KV侧谐波发生量

2.2 设计要达到的技术要求

根据业主的要求，对变压器进行低压无功功率补偿，补偿后变压器二次侧的平均功率因数大于0.95，谐波达到国家标准。

l        考核点（PCC）：低压750V侧。

l        考核指标：

1)      月平均功率因数：＞＝0.95。

2)      谐波电流一般不超过国标限值（GB／T14549－93），如表3

 

标准 电压 KV	基准短路容量 MVA	谐波次数及谐波电流允许值
		2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
0.38	10	78	62	39	62	26	44	19	21	16	28	13	24	11	12	9.7	18	8.6	16	7.8	8.9	7.1	14	6.5	12
6	100	43	34	21	34	14	24	11	11	8.5	16	7.1	13	6.1	6.8	5.3	10	4.7	9.0	4.3	4.9	3.9	7.4	3.6	6.8
10	100	26	20	13	20	8.5	15	6.4	6.8	5.1	9.3	4.3	7.9	3.7	4.1	3.2	6.0	2.8	5.4	2.6	2.9	2.3	4.5	2.1	4.1
35	250	15	12	7.7	12	5.1	8.8	3.8	4.1	3.1	5.6	2.6	4.7	2..2	2..5	1.9	3.6.	1.7	3.2	1.5	1.8	1.4	2.7	1.3	2.5
66	500	16	13	8.1	13	5.4	9.3	4.1	4.3	3.3	5.9	2.7	5.0	2.3	2.6	2.0	3.8	1.8	3.4	1.6	1.9	1.5	2.8	1.4	2.6
110	750	12	9.6	6.0	9.6	4.0	6.8	3.0	3.2	2.4	4.3	2.0	3.7	1.7	1.9	1.5	2.8	1.3	2.5	1.2	1.4	1.1	2..1	1.0	1.9

表3注入PCC点各次谐波电流限值

 

注：当电网公共连接点的最小短路容量不同于表2基准短路容量时，按下式修正表2中的谐波电流允许值：  I_h=S_k1/S_k2×I_hp …………………………（B1）

2.3 设计遵循的主要标准

2.3.1总设计及制造标准：

电能质量　　公用电网谐波　　　　GB/T14519-1993

电能质量　　电压波动和闪变　　　GB12326-1000

电能质量　　供电电压允许偏差　　GB12325-1990

低压无功功率补偿装置总技术条件　GB/T　15576-1995

低压无功就地补偿装置　　　　　  JB/T　7115-1993

无功补偿技术条件；JB/T9663-1999《低压无功功率自动补偿控制器》

低压电气及电子设备发出的谐波电流限值   GB/T 17625.7-1998 

电能质量  三相电压允许不平衡度   GB/T 14543-1995

《钢铁企业电力设计手册》

国标GB1027     《电压互感器》

国标GB/T5356   《电压互感器试验导则》

国标GB1028     《电流互感器》

国标GB16847    《保护用电流互感器暂态特性技术要求》

国标JB/T5356    《电流互感器试验导则》

国标 GB11032-1000  《交流无间隙金属氧化物避雷器》

GB/T 15291-94        《半导体器件 第6部分 晶闸管》

2.3.2电容器

电工术语　电力电容器　　GB/T　2900.16-1996

低压并联电容器　　　　　GB/T　3983.1-1989

2.3.3电抗器

电抗器　　　　　      　GB10229-88

电抗器　　　　　　  　　IEC　289-88

2.3.4控制器

低压无功补偿控制器定货技术条件　DL/T597-1996

2.3.5施工

电气装置安装工程　接地装置施工及验收规范　　GB50169-92

电气装置安装工程　盘柜及二次回路结成施工及验收规范　　GB50171-92

低压电器外壳防护等级　　GB5013.1-1997

低压成套开关设备和控制设备　　GB7251.1-1997

低压电器电控设备　　GB4720-1984

2.4 方案设计、设备选型

2.4.1方案设计、设备选型

2.4.1.1基波补偿容量及安装容量的确定

根据用户提供的设备数据要求，设备运行总功率1100kW，功率因数为0.9，要求将功率因数提高至0.95以上。基波补偿容量按下面公式计算。

Q＝P（－）

用户负载的有功功率取1100KW（考虑一定的过载量），功率因数取0.9，补偿到0.95，实际需要无功需求量180KVar；

经我公司分析计算，结合我公司以往对其它相同项目的设计经验，本方案设计在变压器低压侧加装一套低压无功补偿兼谐波滤除装置，滤波装置基波补偿容量为220kvar（能满足用户月平均功率因数在0.95以上），装置分为5次滤波支路。由于考滤到滤波装置投入后吸收大量谐波电流注入滤波支路，因此滤波补偿装置在满足基本补偿容量的同时，必须得加大安装容量，本方案设计系统总安装容量为360kvar。

主要元器件清单

序号	设备名称	型号规格	单位	数量	备注
1	低压无功补偿兼谐波滤除装置	ZRTBBL-0.75-360KVar-H5	台	1	成套
3
4	主要元气件清单
5	断路器	DW15-400			正泰
6	电流表 电压表	42L6-A			人民
7	避雷器	YH1.5W-1.2			上海
8	电流互感器	BH-0.66			人民
9	滤波补偿测控仪	ZRKWNLC			能容
10	快速熔断器	RSO-RX1			茗熔
11	真空接触器	CKJ5-630			上海志远
12	滤波电抗器	ZRLKSG			能容电力
13	滤波干式电容器	ZRAKMJ			能容电力
14	风机温控装置	WSK-FYZ			上海
15	GGD成套柜体及铜排附件				能容
备注	1、主要元气件选用本公司配套产品；                                                       2、本套装置户内安装.柜型组装喷塑.柜内母线选用铜母线,不含水平母排；

 

2.4.1.2计算机仿真分析及校验

一、滤波装置投入前后考察点谐波电流对比如下：

 

 

H(次数)	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
考察点谐波电流国标限值(A)	58.05	45.9	28.35	45.9	18.9	32.4	14.85	14.85	11.48	21.6	9.59	17.55
滤波前考察点谐波电流(A)	0	0	0	58.34	0	39	0	0	0	18.23	0	14.7
滤波后考察点谐波电流(A)	0	0	0	13.65	0	25.07	0	0	0	13.46	0	11.04
H(次数)	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
考察点谐波电流国标限值(A)	8.24	9.18	7.16	13.5	6.35	12.15	5.81	6.62	5.27	9.99	4.86	9.18
滤波前考察点谐波电流(A)	0	0	0	10.5	0	9.15	0	0	0	7.23	0	6.53
滤波后考察点谐波电流(A)	0	0	0	8.01	0	7.01	0	0	0	5.57	0	5.04

 

二、5次滤波支路滤波率如下：

 

H(次数)	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
滤波率(%)	--	--	--	76.6	45.79	35.73	31.25	28.77	27.23	26.19	25.45	24.9
H(次数)	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25
滤波率(%)	24.48	24.15	23.89	23.68	23.51	23.36	23.24	23.13	23.04	22.96	22.89	22.83

 

三、滤波器的阻抗幅频特性如下：

 

四、滤波器的阻抗幅频特性如下：

 

由于系统中的实际谐波发生量不是很大，在相同基波的补偿容量下，采用5次单调谐滤波之路已可以******限度吸收5，7次谐波电流，同时避免对其它次谐波产生放大。

 

 

 

 

 

 

第三章              系统功能及关键元器件性能

3.1 系统功能

l         环境温度：-25℃～+55℃，相对湿度不大于90%（25℃）。安装环境：室内，等级要求同配电间

l        补偿系统接入变压器的二次侧的进线开关下端

l        补偿系统能跟踪补偿负载无功功率的变化

l        谐波电流平均吸收率达到60~80%以上，相应次的谐波电压均满足国标GB/T14549-93要求

l        补偿的平均功率因数≥0.95

l        补偿过程中电网电压波动满足国家相关标准要求

l        系统具有以下安全运行措施：

系统：过电压保护、失电压保护、过电流保护、电流速断保护、低电压保护、接地保护、氧化锌避雷器抑制过电流保护、放电电阻放电保护；

电容器：过压、过流、过热保护及缺相保护；

电感（电抗）：过流、。

l        补偿装置系统总功率损耗：P损小于2%Q总（Q总为补偿总量）

l        系统不产生无线电(射频)电磁干扰。

l        运行方式：全自动，连续工作。

l        显示参数：PF，U，I，S，Q，P，工作状态指示。

l        装置内设温度自动排风装置，实实监测柜内温度自动开启风机；

3.2 关键元器件性能

3.2.1 滤波电容器

滤波电容器采用材料为滤波专用电容膜，其性能为：

（1）线电流密度为0.12A/米或相当于0.4KVar容量(0.82KV)允许******电流为2Ar.m.s，可承受冲击短路电流能力为60A，使用环境温度为-25℃～+55℃，温度系数为0.015%，以环境温度20℃为基准，温度从-20℃～+55℃，其电容量变化不超过±0.006；

（2）电容损耗小于0.001(tgδ)；

（3）电容量年衰退率不大于0.02%；

（4）具有过电压保护性能：当过电压产生时，电容器不击穿，并自动将瞬间过电压的能量释放；

（5）具有过流保护性能：当电流超出允许值时，内部压力保险将切断电源；

（6）过热保护：同过流保护；

3.2.2滤波电抗（电感器）

滤波电抗器采用三相铁芯式电抗, 有良好的线性度，采用取向硅晶片及合理的气隙，电感器采用多层绕制而成，以保证每根电感量之间的偏差不大于1%，工作时确保最高温升不超过60 °K。

3.2.3电容器真空接触器

   CKJ5交流低压真空接触器适用于交流50Hz，额定工作电压至1140V，额定工作电流63-630A的电力网络。因主触头在高真空环境中工作，因此具有电弧不外漏、体积小、重量轻、维修周期长等优点，特别适宜于偷窃大容量电容器组的场合。

3.2.4控制器及保护模块

ZRKWNLC滤波补偿测控仪采用多任务操作系统内核，实现了微秒级的快速投切，铁电技术；海量存储，交流采样技术、LCD中文显示，四象限分析等技术，实现了实时数据采集、通讯、电量统计、历史数据存储、故障报警、电网谐波分析、无功补偿等功能，可以控制24路电容组，直接连接电脑进行联机操作。主要应用于三相四线制的配电网，监测配电变压器、配电线路运行状态和补偿电网无功，根据无功功率大小，功率因数和电压范围，自动控制电容器投切进行补偿，有效地提高供电电压质量、提高配电网络的安全稳定及经济运行水平。

（1）响应时间≤20ms，驱动电平0-12V或无源继电器模块；

（2）驱动能力200mA×16；

（3）自适应功能，一步到位功能；

（4）自动判则电容组状态，当电容组出现故障，自动开除出局；

（5）具有缺相保护、过电压、欠电压保护，谐波超标保护；

（6）抗谐波能力强，能在大谐波、大冲击性负荷环境下可靠运行。 

3.2.5 柜体

GGD柜型板材采用2mm厚冷轧薄板组装而成，立柱用8FM型材。柜顶加装吊环和防尘盖板，吊环可承重1.5吨。柜体前、后门下部冲有散热孔，两侧装有护板。柜内设有铜制接地端子。尺寸公差满足国标GB1804-m级。