SF低压谐波滤除装置的应用案例

1TTSSFF低低压压谐谐波波滤滤除除装装置置在在大大功功率率中中频频熔熔炼炼炉炉工工程程中中的的应应用用案案例例一、背景概述某汽车制造厂铸造车间共有10台5000KW中频炉，分别由5只7000KVA电炉变供电，每只电炉变带二台12脉动的5000KW中频炉。中频电炉将工频50HZ交流电源经过整流，然后再逆变为中频电源（0.3KHZ～10KHZ），利用电磁感应原理进行加热。中频电炉是典型的谐波源，在运行过程中将产生大量的谐波，给供电系统带来了许多不良影响，主要表现为：1、功率因数很低中频电炉从电网获得电能，其中一部分转化为有用的热能，而另一部分则为无功能量。至现场测量，大量数据表明中频炉工作时的功率因数较低，最高0.85，最低为0.55，平均为0.67。很低的功率因数降低了变压器的出力，并引起母线电压下降，电压降低又相应降低中频炉的有功功率，使熔化期延长，生产效率降低。2、变压器出力降低如果功率因数为0.92，变压器在额定电流运行时，有功功率可以达到6440KW。但在没有滤波补偿的状态下，二台中频炉只能在1台熔炼，另一台保温的状态下勉强运行，有功功率仅达4000KW～4500KW。3、由电流谐波引起的“集肤效应”，使变压器温升异常，变压器噪声增大。4、对用电安全造成威胁系统产生并联谐振，产生过电压，致使电源传输电缆烧毁，并导之发电机组主机开关跳闸事故等。这些问题不仅对本系统的用电安全造成威胁，同时给集团公司的发电网络造成安全威胁。5、污染公用电网，电网电能质量受到严重影响。铸1、铸3、铸5三只7000KVA炉变额定电压为35KV/0.75KV,由1只110KV/35KV的31500KVA主变供电，在三只炉变的35KV总进线处测量，电压总谐波畸变率（THDU）为17.7%,远远超过国标3%的限值，HRUn（各次谐波电压含有率%）超过国标2.4%限值的有：11次4%;13次4.8%;23次8%；25次14%。从以上罗列问题来看，已经到了危及电网安全运行的程度，因此必须对谐波加以治理。解决上述问题的途径总体来讲有二条，一是在高压侧集中治理，二是在0.75KV侧就地治理，两种方案通过对比，在0.75KV侧就地治理能从根本上解决变压器出力，温升噪音异常、提高系统功率因数、就地滤除吸收谐波，消除安全隐患等问题。据此，我们选择了在0.75KV侧就地治理的方案—即在0.75KV侧安装一套TSF低压谐波滤除装置。二、TSF低压谐波滤除装置2.1TSF即晶闸管投切滤波器（thristorswitchedfilter,TSF）。采用零电压触发技术，具有响应速度快、投切无涌流、无过电压、经久耐用、长寿命、免维护等特点。2.2LC滤波器：LC滤波器也称为无源滤波器，由滤波电容器、电抗器组成。与谐波源并联，具有谐波滤除兼无功功率补偿功能。在7000KVA炉变0.75KV侧安装的TSF低压谐波滤除装置电原理图见图1。2DDY35KV/0.75KV×27000KVA图1H11H9H7H5H4H11H9H7H5H4图1中H4、H5、H7、H9为单调谐滤波器，H11为二阶高通滤波器，其工作基本原理是：单调谐滤波器：单调谐滤波器是利用串联L、C谐振原理构成的谐振次数n为LCns1图2所示为单调谐滤波器的电路原理。CLRZfnR012W/(nws)a)b)图2滤波器对n次谐波（n=ns）的阻抗为)1(cnLnRZssfnfn在谐振点处，Zfn=Rfn，因Rfn很小，n次谐波电流主要由Rfn分流，很少流入电网中，而对于其他次数的谐波，Zfn》Rfn，滤波器分流很少。因此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分流入谐波器，从而达到了滤除该次谐波的目的。二阶高通谐波器的阻抗为：1)11(1LjnRcjnZssn︱ZN︱随频率变化的曲线如图3ZnRW图3高通滤波器的阻抗频率特性图3高通滤波器的阻抗频率特性上图所示的曲线在某一很宽的频带范围内呈现为低阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波器。2．3控制和保护TSF的控制系统由微机控制单元；晶闸管触发单元；RC吸收保护单元；过压、过流、过热保护管理单元等部件组成。微机控制单元采用高速嵌入式系统，动态响应时间＜20mS;能提取电网所有参数，包括2～25次电压谐波和电流谐波。三、TSF装置运行效果分析TSF装置正常运行两个多月后，为取得运行数据、验证运行效果，我公司组织相关工程技术人员对系统进行为期三天的现场测试。3．1现场测试3.1.1执行标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》GB/T12326-2000《电能质量电压波动和闪变》3.1.2测试仪器FLUKE-4353.1.3测试时间2009年7月5日～7月7日3.1.4考核点:PCC点为7000KVA炉变3的35KV进线处。3.1.5取样信号:电压信号取自PT二次侧电流信号取自CT二次侧3.2测试结果3.2.1电流谐波：单位：A谐波次数TSF投前95%概率值TSF投后95%概率值国标限值评估30.420.22.14√51.460.422.4√70.180.132.1√90.570.051.35√118.750.631.7√135.830.571.49√150.490.01√170.320.02√190.240.031.06√210.490.1040.59√232.840.470.89√252.430.420.83√THDI14.1%4.3%——3.2.2电压谐波单位：%谐波次数TSF投前95%概率值TSF投后95%概率值国标限值评估30.20.22.4%√51.51.32.4%√70.10.12.4%√90.10.12.4%√111.00.22.4%√131.80.22.4%√150.102.4%√170.102.4%√190.102.4%√210.202.4%√231.502.4%√251.702.4%√THDI5.6%1.5%3%√3.2.3功率因数：（据7月1日至7月10日报表记录）有功功率（KW）视在功率（KVA）无功功率（Kvar）功率因数7271607574581885800.96从测试结果看，加装TSF低压滤波装置后，电网电能质量得到了明显的改善，功率因数从原平均0.77PF提高到0.95以上。补偿无功减小了对电网的无功冲击。电压总谐波畸变率（THD）从5.6%降低到1.5%,远低于国标3%的限值。注入PCC点的各次电流谐波均满足GB/T14549-93标准要求。电能质量改善后，与电网并联谐波谐振已经消除；7000KVA变的温升降低10C。；噪声明显下降；变压器与线路的损耗降低；系统的安全运行系数大大提高。四、经济效益分析4.1减少电能损耗安装滤波补偿装置后功率因数提高，谐波电流大幅度减少，流入各电压等级线路和变压器的基波电流减少，由于各电压等级线路和变压器的电能损耗和电流的平方成正比，因此能减少各电压等级线路和变压器的电能损耗。其减少的电能损耗可以采用滤波补偿经济当量来计算经济效益。无功经济当量的意义是线路投入单位补偿容量时，有功损耗的减少值，即每安装1Kvar的补偿，相当于降低多少KW的有功损耗，据国家认定各电压等级的滤波补偿经济当量如下表所示。电压（KV）0.4103.5经济当量（KW/Kvar）0.060.030.017各种供电方式的无功经济当量如下表所示功率因数经济当量（KW/Kvar）供电方式K1K2K30.750.0860.130.180.800.0760.120.170.900.0620.090.16注：K1为发电厂直接供电方式；K2为经过一次降压供电方式；K3为经过2～34次降压供电方式。上例经济当量的二张表格可以说明两个问题：一是：滤波补偿安装在低压侧经济当量越高，用户受益越多。二是:网络的线路越长，降压次数越多，经济当量越高，用户受益越多。按照以上分析对本案计算如下：减少电能损耗=3500Kvar×0.06=210KW降低电能损耗率=210KW/6440KW=3.26%4.2提高变压器出力，提高生产效率在未安装TSF低压谐波滤除装置时7000KVA炉变，只能供1台中频炉熔炼，另1台中频炉保温，有功功率约3500～4500KW。2台中频炉不能同时熔炼，否则将会产生系统谐振或主开关跳闸。因此，我们只能限制在45OOKW以下运行。安装TSF低压谐波滤除装置后，2台中频炉可以同时熔炼，有功功率可达6500KW～7000KW。据8月1日现场测量结果，有功功率6919KW时，功率因数0.92，视在功率7520KVA，在7000KVA变满负荷运行状态下，电压总谐波畸变，各次电压谐波含有率及注入PCC点的各次电流谐波含量均满足GB/T14549-93标准。据滤波装置退出和投入运行试验表明，总电流从87A降至57A，下降电流30A，节省视在功率为：△S=)cos1cos1(21pjP=3549×KVA1934)96.0163.01(生产效率提高为：7000KW/4500KW=1.55倍相当于增加了三分之一的产量。4.3延长供电设备，用电设备的使用寿命，减少维修、维护费用。结束语：TSF低压滤波装置是目前解决谐波问题，提高功率因数，改善电能质量、提高供、用电设备利用率，提高生产效率，降低生产成本最有效，最经济的节能降耗的绿色设备，值得推广应用。