1、中频炉无源谐波滤波兼无功补偿中频炉无源谐波滤波兼无功补偿技术方案设计技术方案设计无源谐波滤波兼无功补偿装置北京京仪椿树电能质量事业部北京京仪椿树电能质量事业部领步（北京）电能质量设备有限公司领步（北京）电能质量设备有限公司项目主管：陈兴龙项目主管：陈兴龙审核：马建立审核：马建立编写：邹佳编写：邹佳王文林王文林1 1、系统概述系统概述某金属材料有限公司配电系统如上图所示：一条10KV高压进线供电一台容量800KVA变压器，变电电压等级为10KV/0.4KV，该主变负载容量为400KVA0.5吨中频炉三台和容量小于100KVA电阻炉三台以及其他配套电机等负载，并配置有容量2240Kvar的电容补偿
2、柜两面，由于中频炉是典型的谐波源，运行时会产生大量谐波流入其所在配电系统，导致谐波电流、谐滤电压畸变率严重超标，不仅直接干扰危害配备的两面电容补偿柜的投运，导致月平均功率因数达不到0.9的考核标准，每月被供电部门加征七千元左右的力调费，还影响变压器的出力，不能满足三台中频炉同时运行的需要，为此某金属材料有限公司委托专注谐波治理专注谐波治理1212年年的领步（北京）电能质量设备有限公司进行谐波治理方案设计并组织实施。受某金属材料有限公司的邀约，领步（北京）电能质量设备有限公司派技术工程师前去进行电能质量测试并受委托依据测试概括设计谐波治理方案，方案中所规定的电源规格及配置构成、技术参数、接口等指
3、标，可作为设备设计、制造、验收、交货和质量保证的依据。2、测试与测试与设计设计依据依据标准标准设计标准如下：GB/T 2900.1-2008电工术语 基本术语GB/T 2900.17-1994电工术语电气继电器(IEC 6005(IEV446)-1977,EQV）GB/T 2900.32-1994电工术语 电力半导体器件GB/T 2900.33-2004电工术语 电力电子技术（IEC 60050-551：1998，IDT）GB/T 12325-2008电能质量 供电电压偏差GB/T 12326-2008电能质量电压波动和闪变GB/T 14549电能质量公用电网谐波GB/T 15543-2008
4、电能质量 三相电压不平衡GB/T 15576-2008低压成套无功功率补偿装置GB/T 15945-2008电能质量 电力系统频率偏差GB/T 18481电能质量暂时过电压和瞬态过电压GB/T 3797-2005电气控制设备GB 4208-2008外壳防护等级（IP 代码）（IEC60529-2001,IDT）GB/T 7261-2008继电保护和安全自动装置基本试验方法GB 16836-2003量度继电器和保护装置安全设计的一般要求DL/T 478-2001静态继电保护及安全自动装置通用技术条件JB/T 5777.2-2002电力系统二次电路用控制及继电保护屏（柜、台）通用技术条件JB/T
5、7828-1995继电器及其装置包装贮运技术条件JB/T 9568-2000电力系统继电器、保护及自动装置通用技术条件DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL/T 672-1999变电所电压无功调节控制装置订货技术条件GB 7251.1-2005低压成套开关设备和控制设备 第 1 部分：型式试验和部分型式试验GB 311.1-1997高压输配电设备的绝缘配合注：所有标准规范执行最新版本注：所有标准规范执行最新版本3 3、配电系统测试配电系统测试3.1 测试单位测试单位某金属材料有限公司3.23.2 谐波的基本定义及基础知识谐波的基本定义及基础知识3.2.1 领域内关键词
6、语的基本概念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
7、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3.2.2谐波的产生和危害谐波的产生和危害 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
8、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
9、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，影响精密加工设备的正常运行，影响电力电子计量设备的准确性。3.2.3谐波含量的国标要求谐波含量的国标要求国标 GB/T 14549-93 规定的谐波电流和谐波电压畸变率要求如下：表
10、 1 注入 PCC 点各次谐波电流国标限值标准 基准短路谐波次数及谐波电流允许值,A电压容量MVAKV2345678910 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24250.41078 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 6.512当电网公共连接点的最小短路容量不同于表 1 基准短路容量时，按下式修正表 1 中的谐波电流允许值：式中 SK1公共连接点的最小短路容量，MVA；SK2基准短路容量，MVA；Ihp表 2 中的第 h 次谐波电流允许值，A；Ih短路
11、容量为 Sk1 时的第 h 次谐波电流允许值。表 2PCC 点谐波电压畸变率国标要求电网标称电压Kv电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率奇 次偶 次0.45.04.02.03.2.4配电系统测量配电系统测量在某金属材料有限公司相关部门的大力支持下，我方工程师应邀对公司生产车间低压配电系统变压器低压侧 400V 母线及主要负载出线支路进行了电能质量测试，量测情况如下：3.2.5测量仪器测量仪器美国 FLUKE 公司的 Fluke 435 电能质量分析仪。此设备用于监测电能质量，可以在线连续长时间测量电压、电流的谐波，三相不平衡，闪变，暂态过程，波形变动，频率变化等。设备技术参数：电压精确度:0.1
12、%电流精确度:0.5%采样频率:1kHz64kHz脉冲采样频率:100kHz10MHz符合 EN610529 标准3.2.6测量内容测量内容此次测量使用 Fluke 435 电能质量测试仪进行不间断连续测量，获得连续的电流、电压、谐波情况及瞬时的波形、功率、谐波等详细数据。3.2.7被测供电系统简介及说明被测供电系统简介及说明分别对配电间变压器二次侧和中频炉、电阻炉及配套电机的出线支路进行了电压谐波、电流谐波、功率因数等测试。测试点如系统简图中所示。系统简图如下：图 1 现场供电系统示意图3.33.3 测试数据报告测试数据报告3.3.1中频炉电源进线支路（测试点中频炉电源进线支路（测试点 2）
13、测试数据图表）测试数据图表测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，一台中频炉运行在 226.1KW 功率时，谐波电流波形畸变非常明显，谐波电压畸变率为 1.8%，远低于国标谐波电压总畸变率 5%的安全限值，而系统内的谐波电流总畸变率达到 14%左右，总谐波电流达到 60A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，其中以 2 次、5 次、7 次谐波电流为主，占整个谐波电流的 80%以上。3.3.2电阻炉电源进线支路（测试点电阻炉电源进线支路（测试点 3）测试数据图表）测试数据图表测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，一台电阻炉运行在 6
14、6.4KW 功率时，谐波电流波形畸变非常明显，谐波电压畸变率为 5.5%，超出国标谐波电压总畸变率 5%的安全限值，而系统内的谐波电流总畸变率达到 41.1%左右，总谐波电流达到 41A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，其中以 2 次、4 次、5 次、7 次谐波电流为主，占整个谐波电流的 80%以上。3.3.3配套电机等负载进线电源（测试点配套电机等负载进线电源（测试点 4）测试数据图表）测试数据图表测试数据图表解读分析测试数据图表解读分析：从上述图表数据分析可以得知，配套电机等常规负载运行时，电源进线谐波电压总畸变率为 2.1%，远未达到国标谐波电压总畸变率 5%的安全限值，而系统内的谐波
15、电流总畸变率也只有 2.4%，也远低于国家谐波标准的安全限值要求。3.3.4变压器低压侧变压器低压侧 400V 母线（测试点母线（测试点 1）测试数据图表）测试数据图表测试数据图表解读分析：测试数据图表解读分析：从上述图表数据对比分析可以得知，变压器低压 400V 母线在一台中频炉满载运行情况下，系统视在功率达到 580KVA，系统内谐波电压总畸变率达到 4.2%，接近国标谐波电压总畸变率 5%的安全限值，而系统内的谐波电流总畸变率达到 11.6%，总谐波电流达到105A，远大于国家谐波标准的安全限值要求，其中以 5 次和 7 次谐波电流为主，占整个谐波电流的 80%以上；功率因数也达到 0.
16、9 左右3.3.5 变压器低压侧变压器低压侧 400V 母线出长时间监测运行参数母线出长时间监测运行参数有功功率从 14 点到 19：30 运行曲线视在功率从 14 点到 19：30 运行曲线无功功率从 14 点到 19：30 运行曲线功率因数从 14 点到 19：30 运行曲线有功功率从 22 点到次日 7：30 运行曲线视在功率从 22 点到次日 7：30 运行曲线无功功率从 22 点到次日 7：30 运行曲线功率因数从 22 点到次日 7：30 运行曲线测试数据图表解读分析测试数据图表解读分析：从上述长时间运行记录图表数据对比分析可以得知，系统负载运行周期内最大有功功率达到 620KW，
17、最大视在功率达到 680KVA，缺少的无功功率最大达到 320KVAR，功率因素平均在 0.8 左右4、谐波治理方案分析设计、谐波治理方案分析设计4.1 谐波治理设计依据谐波治理是一项系统工程，由于谐波本身产生的复杂性，以及谐波受电网结构及其设备阻抗影响，谐波在电网中呈现其特有的流动、变化的特性，因此对于谐波滤波装置的设计带来了非常大的困难，尤其对于分散的小容量谐波源的集中治理，更需要以对现有电网较长期的谐波跟踪测试数据为设计依据，进行合理而经济的谐波治理。对于谐波治理工程，其滤波装置设计需要综合考虑以下几个方面：4.1.1 国家标准我国对于电网谐波的国家标准是 GBT-14549-93电能质
18、量公用电网谐波，规定了电网电压畸变率限值和公共连接点（PCC）的谐波电流限值。4.1.2 谐波测试数据由于谐波的流动、变化波动特性，一般理论上只能做简单估算。如果需要设计谐波治理方案或谐波滤波装置，最可靠的应该是谐波测试数据，这类情况适用于已经投运设备的电网或需要增容的电网谐波治理。当然，为了测试数据的可靠性和准确性，需要熟悉谐波源工作原理和工艺，了解电网结构，并根据 GBT-14549-93电能质量公用电网谐波标准中附录 D 的要求，采用可靠的谐波测试仪和准确的测试方法。4.1.3 系统容量供电系统容量越大，即系统的等值导纳越小，母线谐波电压水平越低，因此提高供电系统的容量，是遏制谐波影响的
19、重要措施之一。由于滤波装置总是与系统相连，因此系统阻抗对滤波效果的影响必须考虑，这种情况下滤波效果由滤波装置与系统综合阻抗决定，滤波装置设计时各参数选择必须考虑系统情况。系统的阻抗原则上应该用实测值，有时也可以根据供电系统的短路容量或网络有关参数近似计算其等值阻抗，这种方法一般用于 610kV 的中小型滤波装置参数的初步选择中。4.1.4 谐波源容量谐波源容量大小，影响谐波治理方案，对于大容量谐波源适合就地治理比较经济合理，小容量分散谐波源，由于谐波变动较大，随意性因数较多，导致谐波次数和含量无规律变化，适合于采用有源动态谐波滤波装置 APF 集中治理。4.1.5 谐波源特征谐波状况根据上面几
20、种典型谐波源特征谐波的介绍，是进行谐波源谐波分析和估算的重要依据，需要对各类谐波源设备的工作原理，工艺要求分析，以及其他谐波源设备的工况，大致可以计算产生的主要次谐波和谐波量，是谐波滤波装置设计依据的重要来源，即使对于实测数据，也是分析的重要参考。4.1.6 电网自然功率因数电网中含有谐波，谐波也产生一种无功功率，对于基波而言无功功率因数是 COS 值，对于含有谐波的电网中既有基波无功也有谐波无功，该值为 PF 值，也是实际显示的值（由于测量仪表工作原理不同，会产生较大的偏差）。在这里 COS 值是谐波滤波装置设计的重要依据，特别对于无源滤波器，需要以基波无功补偿功率作为 LC 回路设计参数依
21、据，不能出现过补。4.1.7 谐波源生产工艺谐波源生产工艺或工况是进行系统性谐波分析的重要依据，对于大量的谐波源安装设备，有可能同时运行的是几台谐波源设备，也有的是有规律的周期性运行，对于谐波滤波装置设计都是重要的依据，谐波源生产工艺是决定实际运行谐波量与估算谐波量差异的客户方资料，使谐波滤波装置设计达到合理而经济的目标。4.1.8 谐波源安装位置是指配网中各设备关系，如谐波源与非谐波源设备在电网结构中的位置关系，谐波源尽量设计靠近电源侧，可以减少谐波阻抗引起的谐波电压对其他用电设备的影响，同时增大了谐波源的系统容量，非谐波源设备尽量不要和谐波源公用一条母线，有条件的可以设专线供谐波源设备电源
22、。4.1.9 设备之间相互影响程度在这里有些用户对电网电能质量要求较高，比如精密加工，电子焊接等，如果用户电网中有较大容量的谐波源，必然对其正常生产产生不良影响，对于此类用户，即使其谐波含量经计算未超过国家标准，也是需要进行谐波治理。4.24.2 谐波治理方式分析比较与选择：谐波治理方式分析比较与选择：目前对用户配电系统中的谐波治理主要有无源滤波和有源滤波两类方式，由于无源滤波装置是由滤波电抗器和滤波电容器组成的LC滤波回路，设计为某频率下的极低阻抗滤波补偿傍路，来分流负载产生的谐波，具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、既能滤除谐波又能补偿无功、运行费用较低等优点，至今仍是应用最多、最广泛
23、的被动谐波治理方法。广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、电铁、新能源等行业。不足之处是仅能针对性滤除几种特征谐波，且滤波比例不够精确而受到一定的应用限制有源滤波装置本身作为一个谐波源，通过检测电网中的谐波，迅速产生与检测的谐波相反的谐波，以抵消电网中的谐波。有源滤波装置动态跟踪电网中不断变化的谐波，实时发出相反的谐波，由于其只针对谐波，因此解决了无源滤波装置易与电网发生谐振的问题，同时不需要经过复杂的电网阻抗计算，只需估算谐波量，大大减少了设计工作量，因有源滤波装置为标准设备，可保证设计方案统一性，不足之处是费用投入高且不能兼具无功补偿的作用而受到一定的使用限制在本项目中，
24、用户对配电系统谐波治理的要求主要是消减抑制系统内的各次谐波对无功补偿产生的干扰危害，使系统负载运行消耗的无功功率能够得到充分的补偿，从而释放变压器的出力，满足尽可能多的负载投入生产运行，从上述测评数据可知，采样费用投入比较低的无源滤波器就可以消减抑制谐波的主要危害并能兼顾无功补偿的作用，虽然滤波精确度低一些，无法达到国家谐波标准的严格要求，但谐波对企业的危害和干扰可以得到消除，能够满足企业自身的需要，是性价比最高的一种治理方式。4.3 无源谐波滤波兼无功补偿方案设计无源谐波滤波兼无功补偿方案设计六脉冲中频加热炉产生的特征谐波遵循 6N1 的原理，系统内谐波含量以 5 次和 7 次谐波为主要特征
25、谐波，占整个谐波的 80%以上，11 次和 13 次谐波比较低，接近国标要求的范围，上述实测谐波数据也充分验证了这个原理，因此无源滤波器设计时要重点考虑能滤除 5 次和 7 次谐波的滤波支路配置，同时适当兼顾一下 11 次及以上谐波的滤波支路配置。根据两个长周期运行测试数据分析，容量 800KVA 的变压器负载的三台中频熔炼炉正常运行从低功率的初期运行到620KW的重载运行周期，平均功率因数在0.8左右，补偿无功功率300KVA，功率因素就可以补偿到 0.95 以上，考虑到滤波补偿支路要有比较大的滤波能力，因此要预留足够的容量用于滤波，考虑到滤波容量和无功补偿容量，总体上需要安装容量 1440
26、KVA，分为两条 5 次滤波补偿支路和 7 次、11 次高通滤波补偿支路各一条，根据负载的变化通过智能无功控制器来自动组合投切滤波补偿支路，保证重点滤除系统内 5 次和 7 次谐波，兼带滤除 11 次及以上高次谐波，满足消减系统内中频炉产生的谐波电流 65%以上，系统谐波电压畸变率控制在 5%的国标范围内，同时补偿中频炉运行缺少的无功，满足月平均功率因数达到 0.95 以上且不过补的考核要求，也能提升变压器出力 20%左右，可以承受更多负载的同时运行。但需注意变压器容量只有 800KVA，即使将功率因素提升到 0.95 以上，变压器的出力提升了 20%也是有限的，而电阻炉与配套电机等负载也要占
27、有 200kva 左右的容量，每台中频炉的额定容量是 400kva,因此即使谐波消减补偿到位后，中频炉也要协调安排好生产工艺，让熔炼期和保温期实现交错运行，避免同时进行大容量熔炼周期才能实现三台炉同时运行。具体参数设计如下：序号滤波支路总安装容量基波补偿容量基波补偿电流谐波耐流值15 次滤波补偿支路360KVar/0.525kv75KVar105A202A25 次滤波补偿支路360KVar/0.525kv75KVar105A202A37 次滤波补偿支路360KVar/0.525kv75KVar105A202A411 次滤波补偿支路360KVar/0.525kv75KVar105A202A合计装
28、载容量1440KVar/0.525kv300KVar420A808A柜体尺寸（宽深高）：1000mm1000mm2200mm 2 台4.4 无源滤波补偿装置安装方案无源滤波补偿装置安装方案领步公司谐波滤波兼无功补偿装置谐波滤波兼无功补偿装置，安装于 400V 进线总柜母排上，可以根据中频炉的运行变化自动投切滤波补偿支路来消减抑制谐波并补偿需要的无功功率，加装无源滤波补偿装置后原来的电容补偿柜可以退出运行，现场安装原理示意图如下：安装位置如下图：图 5 无源谐波滤波补偿装置现场安装点示意图4.54.5 无源滤波补偿装置的控制特点和保护性能无源滤波补偿装置的控制特点和保护性能本套装置采用智能控制器
29、采样控制，各滤波支路的投入和切除，可根据生产时不同的工作状况进行设置，简单方便。采用优质接触器作为L-C 滤波支路投切元件，它具有工作可靠性高，稳定性好的特点。采用优质进口薄膜生产的专用滤波电容器和优质铁芯电抗器组成的滤波支路工作稳定，吸收效果显著。全套装置采用标准GGD 柜体安装。本套滤波装置的电保护性能有：过载、短路等保护性能。5 5 谐波治理改造后的综合效益分析预估：谐波治理改造后的综合效益分析预估：5.5.1 1、节约电费支出节约电费支出补偿兼滤波装置投运后，可以彻底解决一直困扰着企业的无功欠补或过补的问题，使功率因数达到 0.95 以上，每月因无功不足功率因数达不到 0.9 而被罚收
30、的力率调整电费彻底清除，根据企业的用电情况还能获得一定 0.75%数额的奖励，每月可节约电费支出 0.8-1.2 万元，具体数量跟企业用电量相关。5.5.2 2、增容降损增容降损功率因数由 0.82 提高至 0.95，变压器的平均负荷电流减小 13.7%1-cos1/cos21-0.82/0.95，相当于变压器运行容量降低了 13.7；变压器铜损减少：1-（0.82/0.95）25；变压器温度降到 65以下；每月此项节约电费约：800-1000 元/月。同时变压器的负载出力增加，能够满足了企业三台中频炉同时运行的需要，减少了企业增容扩容的投入。5.3、提高生产效率提高生产效率功补偿兼滤波装置投
31、入后，电压稳定了，缩短了中频炉熔炼时间，（也减少了热能既电能损失），提高了生产效率。5.4、提高设备运行可靠性，延长设备使用寿命提高设备运行可靠性，延长设备使用寿命无功补偿兼滤波装置投入后，负荷无功电流、谐波电流减少，设备的发热、损耗降低，振动减少。谐波电流减小 70，单独谐波损耗节约的电费每月将近 2000 元。系统内各元件损坏率降低、设备绝缘老化减缓，故障率下降，延长设备寿命，因而提高了公司整体用电的安全性。5.5、供电系统效益供电系统效益无功功率的减少，不仅节约企业自身的电费开支，还减少了电网的线损和对上一级变压器容量的占用。谐波污染的减少，降低了对通讯、自动控制装置、电能计量和继电器保护的干扰，提高了电网的安全性能。5.6、企业综合投资收益企业综合投资收益该企业新增的一套中频炉专用无功补偿兼滤波装置，全部投资为最高为十多万元。实际平均月节约电费一万元以上，一年就收回了投资成本，具有非常高的投资性价比。
