有源滤波技术在化工企业电力系统中的运用

（中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西榆林 719000）

0.引言

我国电力系统电源是以50Hz的额定频率向用电设备供电的，电源频率为50Hz的正弦波我们通常称之为基波。当电力系统向某些非线性负荷（如变频器）传递和供给基波能量的同时，也将一部分的基波能量转换为频率高于50Hz的正弦波能量，我们称之为谐波。

1.电力系统谐波的危害

（1）电力系统谐波增加输、供和用电设备的附加损耗的影响。1）系统谐波对输电线路的影响。电力系统中的谐波使电网的电压与电流波形发生畸变，影响电网的质量。由于集肤效应和邻近效应，使线路阻抗随频率增加而提高，使输电线路的电能损耗增加，造成线路过热影响绝缘寿命，当谐波频率位于在电力网络谐振区间内时，会产生很高的谐振过电压，对电力电缆线路会造成绝缘击穿。2）系统谐波对旋转设备和变压器的影响。对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加无功和有功损耗发热增加，减少绝缘介质的使用寿命，导致绝缘损坏。3）系统谐波对电力电容器的影响。电力系统谐波使电力电容器产生发热、噪声、鼓肚、击穿以及绝缘寿命缩短等危害。对谐波频率比较敏感的电力电容器，因其自身的容性阻抗特性，以及频率与容抗成反比的特性，使得谐波电流容易被电力电容器吸收从而引起电容器过负荷甚至爆炸。（2）对通信系统工作产生的影响。谐波电流及谐波电压通过磁感应、电容耦合、电感应及电气传导等方式影响通讯及通信系统，这些谐波频率将会使通信设备、通信线路不能正常工作，导致通信系统处于瘫痪的状态。（3）对电气低压开关设备的影响。断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难。电子型的断路器，谐波使其额定电流降低，可能产生误动作。谐波电流使电磁接触器磁体部件温升增大，影响触点、线圈温度升高使额定电流降低。（4）对计量仪表的影响。目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，谐波会导致电气测量仪表计量不准确，特别是数字显示计量仪表。（5）对功率因数的影响。谐波产生的功率因数与基波功率因数叠加后会使表观功率因数降低。（6）谐波对人体有影响。从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场[1]。

2.电力系统概况

我公司设有110kV总变电站一座，由当地电力公司两条线路接入总变110kV系统。110kV系统为双母线接线，通过两台100MVA、110/35kV主变压器降压至35kVⅢ段、Ⅳ段母线，电站两台100MW发电机组经两台125MVA、13.8/35kV变压器升压后分别与总变35kV系统Ⅲ段、Ⅳ段母线并网，35kV系统为单母线分段式接线，共计23条35kV馈出回路为各区域生产装置共计10个10kV变电所提供电源。

3.电力系统运行中存在的问题

2017年8月气化装置高压煤浆泵变电所690V母线在母联处密集型母线槽（SIEMENS，XLC-II）发生相间击穿短路，造成两段母线全部停电，气化装置停车。事故后经专家组分析，高压煤浆泵变电所所带负荷均为变频器设备，变频器正常工作时会产生大量谐波电流，同时母线设有电容补偿装置，在某一频率与系统谐波源产生谐振，产生高电压击穿母线绝缘，致使事故发生。为避免再次发生此类事故，公司经研究讨论开展谐波治理工作。

4.电力系统谐波治理前期工作

（1）排查厂内谐波源。将所有存在变频器类设备的变电所进行排查，统计并计算出非线性负荷占比，并按照负荷重要程度进行分级。（2）编制项目方案。按照标定的治理点汇同设计院、多家有源滤波厂家讨论装置选型并编制实施方案。（3）聘请多方机构进行检测。专业检测机构对全厂各电源节点测试后，发现PP变电所、空分变电所、电站空冷变电所、气化高压煤浆泵变电所存在较大含量的高次谐波。PP变电所0.4kV 2段、6段母线的2次谐波含量较高，已经超出了国家标准；空分变电所、电站空冷变电所、气化高压煤浆泵变电所的3次、5次、7次谐波含量较高，其中5次谐波已经超出了国家标准。

5.谐波治理方法选择

（1）无源滤波。无源滤波器由电容器和电抗器串联而成,调谐在某个特定的频率。在某一频率下形成一个低阻抗的回路，吸收这一频率的谐波电流，转换成热能。缺点是滤波效果不理想，只能滤除固定的几次谐波；可能和系统发生谐振，引发事故；滤波需求和无功补偿有时难以协调。（2）有源滤波。通过测量谐波电流来控制输出，输出一个与负载谐波电流具有幅值相同而相位相反的补偿电流，与负载谐波电流相抵消以达到消除谐波的目的。优点是根据系统当前谐波电流大小，动态补偿；不易发生谐振；同时补偿谐波和无功，并且可连续调节无功功率的大小，补偿性能不受电网频率影响。

6.电力系统谐波治理开展情况

我厂电力系统谐波治理采用有源电力滤波装置，根据谐波测试的结果及治理的效果对比，将此项目分为两个阶段进行：第一阶段对空分变电所0.4kV 5段、6段、10段母线和PP变电所 0.4kV 2段、6段母线进行治理工作。第二阶段对电站空冷变电所0.4kV 1段、2段、3段、4段母线和气化变电所0.69kV 7段、8段母线进行治理工作。

7.我厂电力系统谐波治理效果

从安装有源滤波设备治理的各变电所母线测量结果可以发现，经过谐波治理后谐波含量有比较明显改善，就以PP变电所0.4kV 2段母线实测结果为例，见图1、图2所示。

图1 状态监控数据图

图2 实时电流波形

有源电力滤波器投入运行后，2次谐波电流减小，其含量由27.5%（负载THD）降到4.0%（电网THD），各相电流的畸变率和谐波含量减小，符合电能质量公用电网谐波GB/T 14549标准的要求，达到了预期的效果，电力系统的安全性和可靠性得到了提高。

8.结语

化工企业装置规模越来越大，对于电力系统的稳定性的要求也越来越高，由于电力电子设备应用广泛，会产生大量的谐波污染，导致电气设备及通讯系统故障时有发生，严重影响化工企业长周期安全稳定运行。谐波治理技术在化工企业电力系统中的应用，可以有效地提升化工企业电气系统的安全性、稳定性、可靠性，从而增强化工企业的可持续发展能力，行业竞争能力。