铜电解整流器谐波的抑制_图文

1、第卷第期有色冶金设计与研究年月铜电解整流器谐波的抑制石曙光（南昌有色冶金设计研究院，江西南昌）摘要电解整流器等非线性电力设备接在企业配电系统和电网上运行时，将向配电系统及电网注入谐波电流，并产生不良影响及危害。从自身运行的安全和对电网限制谐波要求两方面考虑，都必须对整流设备及其它非线性用电负荷设备产生的过量谐波进行有效的抑制。关键词电解整流装置；谐波；滤波器中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）（，），；前言冶炼厂铜电解车间中的大型铜电解整流设备输入企业自身配电系统及电网的谐波会给供配电带来一系列问题现就谐波产生的原因和危害以及在工程设计中如何设置抑制谐波装置做如下分析与探讨。配电系统中谐波

2、的来源及产生原因装置接入正弦电压电网运行时。硅整流器各臂轮流导通经过整流臂的电流波形为断续的近似矩形波，所以整流变压器各相线圈中的电流波形也不是正弦波。例如三相桥式整流电路整流变压器网侧、阀侧绕组为厂接线方式时，整流器臂电流和整流变压器网侧线电流波形如图与图所示。从图中可看出整流装置网侧电流波形不是正弦波，这种波形除基波电流外还含有各次谐波电流。当整流电路中采用有相位控制的晶闸管整流时，控制角愈大，则电流的起伏陡度愈大，网侧电流中谐波成分也愈大。有色金属冶炼厂的生产规模日趋大型化。从而使得冶炼工艺电解整流设备总体容量不断增大。单台整流设备也趋向大型化。进而使得电解整流设备产生的谐波输入企业自身

3、配电系统及电网的问题显得突出。铜电解大电流直流电源是由交流电通过由整流变压器和硅整流器组成的整流装置而得到的。整流收稿日期：作者简介：石曙光（一），男，河南人，工程师，主要从事工企与民建电气工程设计。图整流桥臂电流波形示意图有色冶金设计与研究第卷图整流器网侧电流波形示意图铜冶炼厂电解通常采用整流装置的电联结方式为三相桥式和双反星形带平衡电抗器式。若假定硅整流元件或晶闸管的导通和截止都是瞬时的，则整流装置的臂电流为矩形波，阀侧线电流亦为矩形波，基坡电流网侧习确习誓，旷弋（）厂一接线网侧电流波形谐波的危害及其防护规定而网侧电流波形则视整流装置接线不同而有矩形波和阶梯波两种。以双反星形带平衡电抗器，

4、卅入接法与厂一入接法整流装置的臂电流，阀侧电流、网侧电流波形为例，如图所示，其中图（）矩形波和图（）中梯形波都可以用傅立叶级数分解为基波分量和谐波分量，且有：（）一“们，故谐波中无偶次谐波和直流分量；因此整流装置对企业配电系统及电网是一个奇次谐波源，它将使整流装置网侧电流波形产生畸变。图整流器网侧电流波形示意图整流器等非线性电力设备接在企业配电系统和电网上运行时。将向配电系统及电网注入谐波电流，而谐波电流在配电系统及电网阻抗上产生谐波压降，使各点电压产生畸变。谐波分量过大时，将产生下列不良影响及危害：（）使旋转电机附加损耗增加。降低发电机的额定出力。使电机发热，加剧绝缘老化，甚至烧毁电机。（）

5、使变压器的铁损及铜损增加：输电线路串联谐振产生的过电压使绝缘子击穿。（）使接入配电系统的电容器中的电流、电压谐振放大，使电容器过电流发热烧毁或过电压绝缘击穿。（）高次谐波电流的电磁和静电感应，对邻近弱电系统的干扰增加。（）对并联运行的可控硅整流装置产生干扰。容（）一接线网侧电流波形量愈大换向电抗愈小则干扰愈严重。（）影响计算机和其他精密电子控制设备的正常工作。（）使继电保护（特别是高频相差保护）装置不能正确动作危害电网安全运行。（）高次谐波使感应型有功和无功电度表产生误差。降低计量装置的准确性。鉴于谐波在电力系统中会造成以上影响和危害，国家技术监督局制定了电能质量、公用电网谐波）国家标准和半导

6、体电力变流器与电网互相干扰及其防护方法导则，对公用电网谐波电压（相电压）也做了限制值（表）。对电网上某处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）最大允许值做出了明确的限制值（表）。因此。从自身运行的安全和对电网限制谐波要求两方面考虑。都必须对整流设备及其它非线性用电负荷设备产生的过量谐波进行有效的抑制。表公用电网谐波电压（相电压）跟值第期铜电解整流器谐波的抑制 抑制和消除谐波的技术措施抑制和消除谐波的措施，主要是消除幅值较高的谐波电压和谐波电流。使电压畸变率和注入电网的谐波电流限制在标准规定的范围内。提高整流装置的等效脉波数在确定整流装置的方案时应考虑提高整流装置的等效脉波数，

7、以便抑制幅值较高的较低次谐波。一般单台整流装置通常电联接方式为三相桥式或双反星形带平衡电抗器式，脉波数。但也可将整流设备制成脉波、脉波等电联接方式。从整流装置产生谐波的原理可知整流装置所产生的谐波次数与脉数之间关系为±。如脉波整流装置可能产生、次及以上奇次谐波，而脉波整流装置产生、等谐波，减少了幅值较高的、次谐波。当台脉波整流器并联运行时，只需使台整流变压器网侧接法分别为接法和接法（阀侧一致），其相位移角为，即构成等效脉波。台及台以上整流装置并联运行时，可通过整流变压器网侧或有载调压变压器一次侧移相线圈而得到所要求的任意相位移。通过不同相位移角的组合构成更高的等效脉波数。必须指出。一

8、个整流站，整流装置组数一般不超过组，以。组为宜。即使从发生谐波的角度看，当整流装置组数较多时，检修停机的机会增多若失去组即不能构成完整的等效系统。又将产生低次谐波，这是非常不利的。所以尽量采用单机组脉波接线这有利于构成等效、脉波等效系统，这样即使有台退出运行也不会产生、次高幅值谐波。装设滤波器及其工程计算滤波器的作用是滤除高次谐波电流，它是由电感。与电容。串联组合成对某次谐波的谐振回路，对谐波形成短接而滤除。首先要计算出接入配电系统的整流器产生的各次谐波电流值。将其与电力系统允许值进行比较。对那些超量的谐波电流设置滤波器将其滤除。（）计算所需参数。为接入交流配电系统额定电压，；。为接入交流配电

9、系统最小短路容量。；为整流器组脉波或等效脉波数；。为直流输出工作电流，；为直流输出工作电流时的控制角，度；为工作状态时的整流变压器变比；为整流变压器短路阻抗，。当工艺方案确定，供配电系统和整流装置配置方案以及整流器型号确定后以上数据便可取得。（）各次谐波电流计算脉波数为的整流器组将会产生的谐波次数由下式得出：±（）式中：、理想状态下网侧基波电流有效值由下式得出：，。：芒旦。（）一式中：。为直流工作或额定工作电流，。有色冶金设计与研究第卷理想状态下网侧各次谐波有效值由下式得出：生熹。（）实际上由于整流变压器阻抗不等于零整流过程换向时不可能是理想的瞬时完成而会出现换向角，而且整流装置运行

10、在有一定控制角的状态，它们对网侧谐波电流有效值均有影响，因此计算式（）需要修正为下式：。（）式中：。为修正系数，它与换向角和控制角仅的关系如下：。面忑；丽ד仅一（仅）一。（）詈（一）（）詈（一）号（）号（）（）式（）中换向角与控制角的关系如下：当时，此时便有下式：（）（）当仅时，则有：（仅一）一（一）（）由式（）可得出在一定控制角仅时的值。从而由式（）得出各次谐波电流有效值。另外当配电系统中有两个及以上不同的谐波源在同一母线或线路上相同相上迭加时各谐波源同次谐波迭加值计算如下式：厂了彳一。×。中。（）式中：。，与。：分别为第与第谐波源的第次谐波电流，；中。为第与第谐波源第

11、次谐波电流之间相位角，当中。不详时式（）中中。令其为一系数。，可由国标中表查得。至此，便得到了整流装置将注入配电系统的谐波电流有效值。但是因整流装置接入的配电系统或电网的短路容量与表中相应电压等级中基准短路容量不同，所以应将表中的各次谐波的允许注网值换算到整流装置运行的配电系统的短路容量条件下的允许值，换算式如下：（）式中：为配电系统或电网公共连接点最小短路容量，；。，为表中相应电压电网基准短路容量，；中第次谐波电流允许注网值，）嗉；为当短路容量为。，时的第次谐波电流允许注网值，。将由（）式算得在。短路容量时的允许注网谐波电流与由式（）或式（）所得实际注网谐波电流值比较，找出那些超过允许值的谐

12、波电流，这些便是需要设置滤波器滤除的谐波电流。另外应该指出的是当由台及以上多台整流装置组成等效脉波或更多的等效脉波整流器组时由于各台整流装置性能和运行条件不可能完全相同各台整流装置的低次谐波电流即使相位差为，而因幅值不等，其矢量和也不为零，从而产生剩余谐波，也称非特征谐波。如脉波整流装置除有、次谐波外，尚有一些、次非特征谐波。但因计算较麻烦，一般按特征谐波分量的估计如果超标也应做与特征谐波相同处理。另外当企业配电系统中的谐波电流经过变比为的变压器注入上级供电系统时。在上一级电压等级的电网形成的各次谐波电流可由下式换算：善（）式中：为降压变压器经变比。（）谐振滤波器参数计算根据计算比较确定需要滤

13、除的谐波电流次数，设置相应几组谐振滤波支路，如图每一支路谐振图谐振滤波器接线单线示意图第期铜电解整流器谐波的抑制条件如下：二丁（），式中：。为谐振支路电容，斗；为谐夺电感，。对于第次谐波电流。是一个短接回路，由式（）得谐振支路电感。与电容。关系如下：÷（）（）。式中：为要求抑制支路的谐波频率，。先计算电容值。，然后计算谐夺电感。计算电容值。时，原始给定数据有电网额定电压或基波电压。和各谐振支路的谐波电流。谐振滤波器每一谐振支路除有高次谐波电流外还有基波电流。，将输出无功功率，因此须先计算谐振支路中电容器的容量。谐振支路基波电流如下：，了着，（）一式中：为谐波角频率，；。为基波电压，。

14、每一谐波支路输出的无功功率如下：。旦；（）式中：。为谐波支路输出的无功功率，。在确定电容器组的容量时必须考虑基波电流和谐波电流。这两个分量电流在电容器介质中产生损耗而发热。又因为滤波器一般都是为较低次而高幅值的谐波所设置的可以认为基波和谐波在介质中损耗角相同，因此电容器功率损耗为：（。）式中。，和。为电容器组基波和次谐波的无功功率。可见电容器组的容量由基波和谐波无功功率两部分组成，以。表示，如下：。击壶。将（）式代上式入得：们（击。）矗。（）从而得下列关系：而。暑（等）（）当用标么值表示时：最和：最（）由式（）得到下式：。而，【三）（）由式（）可求得电容器容量的最小值：圭×旦当时输出

15、的无功功率为：三或：廿三。由于谐振滤波器仅为滤除谐波，而不考虑输出多少无功功率，谐振支路应按电容器最小装置容量来选择。将代入方程（）得电容器的电容值：。竺×耋（）再将式（）代入式（）便求得谐振支路的电感的电感量。结语以上计算通过在金隆铜冶炼厂工程设计中的应用，实践证明网络供电系统谐波的抑制是合理的，较好地达到了供电部门的要求，保证了生产的可靠性、电网的安全性。参考文献】【】陈延镖主编钢铁企业电力设计手册北京：冶金工业出版社，【】黎鹏主编氯碱整流技术【】天津：天津科学技术出版社。】沈阳铝镁设计院电力室主编硅整流所电力设计【】北京：冶金工业出版社【】，电能质量公用电网谐波【】铜电解整流器

16、谐波的抑制 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次数： 石曙光， SHI Shuguang 南昌有色冶金设计研究院,江西南昌,330002 有色冶金设计与研究 NONFERROUS METALS ENGINEERING & RESEARCH 2005，26(2 0次 参考文献(4条 1.陈延镖 钢铁企业电力设计手册 1996 2.黎鹏 氯碱整流技术 1992 3.沈阳铝镁设计院电力室 硅整流所电力设计 1984 4.GB/T 14549-1993.电能质量 公用电网谐波 1994 相似文献(7条 1.期刊论文 丁国良.Ding Guoliang 大型化工电解整流

17、装置谐波分析 -上海化工2007,32(4 叙述了整流装置电流波形畸变的原因,介绍了公用电网谐波标准,谐波计算方法,以某大型化工电解装置谐波计算为例,说明大型整流装置在单台整流 变压器组成等效12脉波整流时11次、13次谐波电流有效值超标,23次、25次谐波电流有效值没有超标,故提出若要满足国家标准要求谐波电流不超标,理论 上需要24脉波整流. 2.会议论文 丁国良 大型化工电解整流装置谐波分析 2007 本文了整流装置电流波形畸变的原因，介绍了公用电网谐波标准、谐波计算方法。以某大型化工电解装置谐波计算为例，说明大型整流装置在单台 整流变压器组成等效12脉波整流时11次、13次谐波电流有效值

18、超标，23次、25次谐波电流有效值没有超标。故提出若要满足国家标准要求谐波电流不超 标，理论上需要24脉波整流。 3.期刊论文 牟静.MOU Jing 大功率整流电路中谐波的产生、危害及有效治理 -氯碱工业2007,""(z1 根据大功率整流装置中谐波的产生原因进行分析及计算,结合贵州省遵义碱厂近年针对电解整流装置产生谐波的实际治理情况,总结出谐波的有效抑 制方法. 4.期刊论文 唐杰.罗安.范瑞祥.贾煜.TANG Jie.LUO An.FAN Rui-xiang.JIA Yu 新型厂矿企业配电网谐波抑制和无 功补偿方案 -电力自动化设备2007,27(2 针对电解企业配电

19、网因电解整流装置产生的高次谐波电流含量大、功率因数低的现状,提出一种新型的谐波治理、功率因数校正综合补偿方案.在该 方案中,补偿系统由无源滤波器和有源滤波器混合构成.由整流装置产生的主要特征谐波电流由无源滤波器滤除.无源滤波器在抑制谐波的同时还可以补偿 无功功率,以提高功率因数.有源部分采用注入式电路,用来抑制无源支路跟电网等效电感产生的谐振现象以及改善无源滤波器的滤波性能.对该混合补偿 系统的稳态补偿性能、抑制谐波谐振性能进行了详细分析,并对补偿方案进行了数字仿真.理论分析和仿真结果证明了该综合补偿系统的有效性和可行性. 5.会议论文 杜旭东 铝电解整流装置中非特征谐波产生的原因及分析 20

20、00 该文论述了高次谐波电流注入电网对电源和与之联接的负载所产生的危害，从整流机组的网侧、阀侧、负载和机组本身参数等方面对铝电解用供电 整流装置产生非特征谐波的原因及机理进行了定性或定量分析，分析了多个谐波源所产生的非特片谐波的迭加及计算方法，为更加准确的计算高次谐波 含量和设计谐波滤波装置，进一步提高滤波装置的滤波效果提供了依据。 6.期刊论文 唐杰.罗安.姚舜.汤赐.TANG Jie.LUO An.YAO Shun.TANG Ci 铜电解整流装置用并联混合型有源电力滤 波器 -高电压技术2007,33(4 为解决铜电解装置运行时产生的电网谐波污染和低功率因数问题,提出了在10kV侧安装并联

21、混合型有源电力滤波器进行谐波抑制和无功补偿的综合补 偿方案并介绍了混合滤波器的系统构成,混合型有源滤波器的无源部分由滤除11、13次谐波,同时补偿无功功率的11、13次两个无源支路构成.有源部分采 用注入式拓扑结构,用来动态滤除11、13次以外的其它次谐波.有源部分对改善无源部分的滤波性能和抑制无源部分与系统等效阻抗之间的谐振发挥了重 要作用.给出的现场运行结果表明:研制的并联混合型有源电力滤波器能有效的抑制谐波和进行无功补偿. 7.学位论文 王承林 基于新型整流变压器的整流系统在化工电解业中的应用研究 2009 随着电力电子技术和控制技术的不断发展，电力电子技术的应用已深入到工业生产和社会生活的各个领域。然而其负面效应也日益明显，电力电子 装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，成为最主要的谐波源。传统的化工电解整流 装置中，一般采用整流变压器移相及多重化技术减少进入电网的谐波，但所有谐波均需流过变压器各个绕组。新型整流变压器由于具有特殊结构，能够 配合滤波器实现无功补偿和谐波屏蔽功能，提高