10kV高压谐波治理兼无功补偿治理方案.doc

10kV高压谐波治理兼无功补偿治理方案上海稳利达电力电子有限公司1 系统概述根据某铜业厂提供的现有配电系统情况可知，工厂现有35KV进线一条，该线非该厂专线。厂内主要负荷为电解铜生产线及大功率电机等用电设备。因电解铜生产线采用的是可控硅整流装置。由于可控硅整流装置的六脉及12脉整流特性，在运行过程中将产生以6N1和12N1（N为正整数）为主的谐波电流注入电网，危及到其它用电设备及电网的用电安全。同时因系统功率因数比较低，故用户在10KV母线上安装了一套高压电容补偿柜，但由于电解铜等用电设备在运行时产生了较大的谐波注入系统，而电容补偿柜在投入后又与系统发生并联谐振，对系统谐波进一步放大，造成电容补偿装置在谐波环境下运行因过载而发生较大的异常声音，甚至造成部分电容柜无法正常投入，经常造成高压补偿电容器的熔丝爆炸烧毁。用户配电系统一次示意图如图1所示。图1用户配电系统示意图2系统用电参数分析根据对厂内变电站10KV I段母线的谐波测试数据分析，可将运行时有功功率、无功功率、功率因数及谐波的变化可归纳为：（1）10KV母线平均功率因数约为0.92左右，（2）母线协议容量10MVA，（3）主要谐波源类型：热电解铜及大功率电机等，（4）10KV线路三相功率数据分析段10KV I段母线正常运行时负荷基本相等，且负载相对较稳定。有功功率基本都8000kW左右，功率因数相对较低，约0.92左右，无功功率也基本在2800kVar3300kVar之间变化。3谐波分析 因负载大部分采用的是六脉波及12脉波整流，产生的主要谐波为：6N1次及12N1（N为工频频率倍数）。故10KV段谐波的特征次为5、7、11、13。其中5、7、11次谐波相对较大，故滤波装置应考虑以滤除5、7、11次谐波为主的滤波方式。根据我司于2007/09/21日对配电系统10KV母线 I段的谐波测试数据分析，将设备运行时产生的各次谐波值分析如下： 35kV侧用户协议容10MVA，设备容量90MVA，正常方式下短路容量为689MVA。为了对滤波装置的滤波效果要求更为严格，故各次谐波电流注入允许值可按最小短路容量为689MVA的标准来考核，见表1。表1注入35kV PCC点各次谐波电流限值2次3次4次5次6次7次8次9次10次11次12次13次13.78 4.49 7.07 5.30 4.69 5.05 3.49 3.77 2.85 4.55 2.39 4.08 14次15次16次17次18次19次20次21次22次23次24次25次2.02 4.13 1.75 3.31 1.56 2.94 1.38 1.65 1.29 2.48 1.19 2.30 表1：35kV变电站电源开关进线侧注入公共连接点的谐波电流允许值表2 注入10kV PCC点各次谐波电流限值（折算）及实际测量值次数23456789101112131415允许值48.215.724.718.516.417.612.2139.915.98.314.2714实测值0.645.92.5620.34.6412.81.282.881.919.52.4120.641.6表2：因不知道用户10kV侧的短路容量，故从35kV侧折算出10kV电源开关进线侧注入公共连接点的谐波电流允许值及各次谐波电流实际侧量值，因15次以上的各次谐波相对较小，表中不一一列出。上述谐波电流通过主变返送到电网，会造成上级电网母线谐波电流（电压）超标。因此，本方案设计在10kV母线I段上安装一套高压滤波补偿装置，使10kV接入点（考核点）的谐波及功率因数满足国家标准的要求。国标GB/T 14549-93规定如下：公用电网谐波电压（相电压）限值见表3。表3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0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.84 谐波电流允许值公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表3中规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表3中的谐波电流允许值的换算见附录B（补充件）表4注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压KV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628132411129.7188.6167.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.147125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.6.1.73.21.51.81.42.71.32.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.71.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.95确定基波无功功率补偿容量根据前面对I段母线现场的谐波测试数据分析可知，10kV母线I段总进线端的功率因数为0.92左右，有功功率在8000kW之间。平均功率因数在0.92左右，系统所缺的无功基本都在28003300kVar之间。按如下公式即计算出需要补偿的无功功率QP（） 取COS=0.98得到需要补偿的无功功率Q1800kVar，以下将以此无功补偿容量作为设计各滤波回路的依据，同时考虑其它部分小负荷接入运行或所有负荷都满负荷运行时，10kV I段母线所需的无功补偿量。6 滤波补偿对网压波动的改善预测引起网压波动的原因在于电网无功功率的变化，有关网压波动的计算公式如下： Sb系统基准容量 电压波动最大值为： Vmax(%)=100*Qmax/ScSc=Sb/Xs Sc供电点至电源的短路阻抗标么值。补偿前的Vmax(%)=100*Qmax/Sc=100*3.3/156=2.1补偿后的Vmax(%)=100*Qmax/Sc=100*1.5/156=1 取补偿前相同有功功率为参考。滤波补偿对网压波动的改善是明显的。7 10kV侧滤波补偿FC方案设计7.1滤波方案的确定采用三频率点滤波，用系统仿真分析比较了多组滤波组合的滤波效果，并从中选出5，7， 11次三个滤波支路为组合方式，因系统中11次以上的各次谐波分量较小，故本方案设计11次采用高通滤波。在相同基波的补偿容量下，采用5，7， 11次滤波组合有利于吸收系统中的5,7， 11次及11次以上的各谐波，同时对其它次谐波也不会产生放大作用。为了更好地吸收11次及11次以上的特征谐波电流，方案设计时将适当加大11次的安装容量。滤波系统投入后对于4次，6次，9次谐波有大约1.5倍的放大，由于系统中4，6，9次谐波本身就比较小，故不会对系统产生影响，也不会超标。仿真分析给出谐波吸收曲线：图210k V(156MVA)滤波组合谐波吸收率图图3 10kV(156MVA)滤波组合系统阻抗图图示表明高压滤波补偿装置投入后，10kV系统不会发生特征谐波频率放大，线路短路容量小的对谐波电流吸收效果优于短路容量大的。曲线看出注入主变的2次电流为105%，3次为110%，4次为130%，5次谐波电流为35%，6次为120%，7次为30%，8次为70%，9次为80%，10次为150%，11次为25%， 11次以上平均为70%。由此可见，滤波装置投入后对第3、4、6、10次谐波电流略有放大。考虑到系统的阻尼特性，谐波电流数值会较计算值小。从谐波阻抗图2可算出滤波不接和滤波接入的各次谐波电压及总谐波电压值。将各次谐波电流乘以该次谐波阻抗值（变压器），即得到该次谐波电压值，将各次谐波电压值的平方求和后开平方，得到UTHD值。 7.2 滤波回路组合的电路结构 每相回路由滤波电容与滤波电抗串联，三相由三个单相接成Y型，中性点绝缘，含开口电压检测保护，电流不平衡检测保护等。电容器组并接放电线圈，各滤波回路接入避雷器，熔断器等。电路原理见下图，图4以10kV母线I段为例给出主原理图，滤波回路由高压控制柜的真空接触器控制，共有控制柜3台。 图4 滤波系统一次原理图表5 10kV滤波电容器电抗器参数表H5H7H11备注电容器(uF)23.8919.1123.89三相电容器安装容量(kVar)1267(7.5kV)1017(7.5kV)1267(7.5kV)3550三相电容器输出容量(kVar)7506007502100电抗器（毫亨）17.3310.993.54电抗器额定电流A50（44）40(35)50(44)（）内为基波值电抗器的额定电流是指该回路的基波电流与各次谐波电流均方根值。表6 10kV滤波电容器额定参数 滤波支路内容5次7次11次单台额定电压（kV）7.57.57.5单台额定容量（kVar）211169211单台额定电流（A）2822.528单台电容（F）11.959.5611.95有效容量/相（kVar）250200250安装容量/相（kVar）126610131266额定电流/相（A）564556电容器连接方式/相2并2并2并三相总台数（台）666表7 1#滤波电抗器参数 滤波支路内容5次7次11次额定电感值（mH）17.3310.99.54额定电流（A）504050要求可调范围10%10%10%10%10%10%数量（台）111注：滤波电抗器调节范围是考虑到限流电抗器电感制造误差10%10%，滤波电容器组制造误差0%3%计算出来的，但制造厂制造的滤波电抗器可调范围一般在5%5%，这样必须对电抗器可调范围、滤波电容器的制造误差加以限制。(1) 滤波电容器选型如下：5次滤波电容器选用AFM 7.5-211-1W 7次滤波电容器选用AFM 7.5-169-1W 11次滤波电容器选用AFM 7.5-211-1W (2) 滤波电抗器（铁芯或空芯电抗）选型如下：5次滤波电抗器选用LKGKL10-50A-17.33，Q=40左右 7次滤波电抗器选用LKGKL10-40A-10.99，Q=40左右 11次滤波电抗器选用LKGKL10-50A-3.54，Q=40左右 电抗器通过调节两个相同线圈间距离来调节电感，调节范围5%5%。设备订货时必须对电抗器、滤波电容器组的制造误差加以限制。(3） 滤波器电容器内部故障及成套保护a. 不平衡电流保护b. 过电压保护c. 失电压保护d. 电流速断保护e. 氧化锌避雷器抑制过电流保护f. 操作过电压g. 单台滤波电容器采用喷逐式熔断器h. 放电线圈放电保护滤波器保护可以装在相应的断路器柜上。其中过电压和欠电压保护四个支路共用一套即可。（4）对滤波器的监控要求由于滤波器整体对10KV调谐，一般不允许每套滤波器的某个支路单独运行（以免对低次谐波产生放大，滤波支路的投入间隔取0.51分钟，投入时从低次往高次按5、7、11次的投入顺序进行，切除时从高次往低次按11、7、5次顺序依次切除（切除时无间隔要求）。滤波器的监控可以采用JKWX控制器实现对滤波器的控制和监视，监控必须具备以下功能： a对滤波器进行程控投切，控制滤波器支路的投切先后顺序、投切时间间隔，故障连琐跳闸； b.记录开关变位、保护动作、电压、电流、有功功率、无功功率等参数； c根据系统谐波电压或功率因数自动控制滤波器的投切套数，也能手动控制滤波器的投切； d.指示故障类型； f.监测滤波器室内温度，超限报警；e.测电容器的放电容状况等；（5） 滤波器成套设备3个滤波支路分别采用3台高压开关柜；电容柜架3台；隔离开关3台；放电线圈9台；氧化锌避雷器9支； 7.3 10KV滤波装置控制原则、10KV母线联接要求及运行状态信息前后台并列控制方式由前台向后台提供电容器组开关节点：各滤波回路电容过电流保护常开接点一对各滤波回路电容零序电压保护常开接点一对各滤波回路电容电流不平衡差保护常开接点一对各滤波回路电容过电压保护常开接点一对各滤波回路电容欠电压缩保护常开接点一对各滤波回路真空接触器常开常闭接点各一对8 设计依据 本治理方案遵循的标准为： GB 12326-2000 电能质量 电压波动和闪变 GB 12325-1990 电能质量 供电电压允许偏差 GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波 GB/T 14543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度 GB 311.1-5-86 高压绝缘配合与试验技术GB 50227-95 并联电容器装置设计规范JB7111-93 高压并联电容器装置 行标DL/T586-95 电力设备监造技术导则 钢铁企业电力设计手册9 技术指标及考核指标谐波电压限值和谐波电流限值：符合国标GB/T14549-93的要求。月平均功率因数PF（10kV母线I段进线侧）达到0.95及以上。具有控制、联锁、检测、过电压保护和继电保护等功能。滤波装置采用单片机控制，三套独立滤波装置信号互联，确保滤波