金发科技谐波治理方案

-金发科技*供电系统谐波治理方案目录1、谐波简介311、谐波的根底了解312、谐波来源313、谐波的危害42、现场谐波的测量与分析521、国家标准对谐波的要求522、现场数据测试背景623、谐波测试数据7231、 1*进线柜谐波数据测试7232、三台氧化炉变频器动力柜谐波数据测试数据相似，只测一台8233、 1D5-3驱动系统配电柜回路谐波数据测试10234、1D7-2高温炭化炉动力柜回路谐波数据测试12235、 2*进线柜谐波数据测试13236、 2D6-1空压机控制柜回路谐波数据测试15237、 2D6-2冷却循环系统回路谐波数据测试17238、 2D6-5消防泵切换箱回路谐波数据测试1924、谐波测试数据分析及设备选型21241 谐波测试数据分析21242 选型统计表223 、谐波治理的意义及价值2431 谐波治理的意义2432 谐波治理的价值24I 变压器损耗24II线路损耗274. ACCUSINE有源滤波器产品介绍284.1 AccuSine技术参数304.2AccuSine产品特性314.4AccuSine内部控制原理331、谐波简介11、谐波的根底了解1.谐波：是对周期性交流量进展付立叶级数分解，得到的基波频率大于1的整数倍的频率分量，由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。2.谐波源：向公网中注入谐波电流或在公网中产生谐波电压的电气设备(分为电流、电压谐波源)3.产生电流谐波源的主要设备：非线性用电设备、 变压器、发电机、直流调速装置、中频/高频感应电炉、电流型变频器。4.产生电压谐波源的设备：交流变频器、UPS/EPS设备谐波电压的产生电压与电流畸变的关系对于每个电流谐波In, 对应该频率的电源阻抗Zsn两端存在谐波电压Un Un=Zsn.In 各次谐波畸变 Hn= Un /u1(U1: 基波值)THD (%) = 在各次谐波频率下的电源阻抗为电压出现畸变的根本,如果电源阻抗低, 电压畸变就低综上所述：产生电流谐波畸变依赖于负载、产生电压谐波畸变依赖于电源，低的电源阻抗利于谐波电流流向电源, 但同时电压畸变往往也较低。高电源阻抗阻止谐波电流流向电源, 但电压总畸变往往也较高电源阻抗与总谐波畸变之间的变化是非线性的。12、 谐波来源电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交直流换流站的可控硅控制元件，可控硅控制的电容器、电抗器组等。但是，电力系统谐波更主要来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。13、谐波的危害谐波的危害主要表现为：1、 加大线路损耗，使电缆过热，绝缘老化，降低电源效率。2、 使电容器过载发热，加速电容器老化甚至击穿。3、 保护装置的勿动或拒动，导致区域性停电事故。4、 造成电网谐振。5、 影响电动机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电动机寿命。6、 损坏电网中敏感设备。7、 使电力系统各种测量仪表产生误差。8、 对通讯、电子类设备产生干扰；引起系统故障或失灵。9、 零序谐波导致中性线电流过大，造成中性线发热甚至火灾。2、现场谐波的测量与分析21、 国家标准对谐波的要求根据中华人民*国国家标准电能质量、公用电网谐波GB/T14549-93中规定公用电网谐波电压相电压、电流限值如下：1谐波电压限值公用电网谐波电压相电压不应超过下表中规定的允许值。电网标称电压KV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率：%奇数偶数0.385.04.02.0104.03.21.62谐波电流限值a)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下表中规定的允许值。b)同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进展分配。22、 现场数据测试背景由于现场安装的PM5350仪表具有测量谐波的功能，所以采用先从仪表上判断出谐波含量较大的回路，再使用专业的谐波测量仪器FLUKE表进展详细测量。现场选取的谐波测量点如下列图所示：23、 谐波测试数据231、 1*进线柜谐波数据测试11*进线三相电流波形由图可见，1*总线上含有谐波电流，并导致总线上的电流发生畸变。21*进线三相电流谐波柱状图由图可见，1*总线上包含3次、5次和7次谐波。31*进线三相电流谐波含量详细数据4)1*进线电压电流频率实测值经分析谐波电流的含量如下：A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流三相电流实测值526A578A553A总谐波含量9.4%10.1%9.2%49.44A58.4A50.9A3次谐波含量4.6%4.7%2.0%24.2A27A11.1A5次谐波含量2.8%3.1%3.0%14.7A18.0A16.6A现在对1*进线下各回路的谐波含量进展测量和分析。232、 三台氧化炉变频器动力柜谐波数据测试数据相似，只测一台1氧化炉变频器动力柜谐波含量柱状图由图可知，氧化炉回路中含有大量的谐波，其中5次、7次的谐波含量较大。2氧化炉变频器动力柜谐波含量详细数据3氧化炉变频器动力柜电压电流频率实测值经分析，氧化炉变频器动力柜谐波电流的含量如下：A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流三相电流实测值25A34A30A总谐波含量69.5%70%77.2%17.4A23.8A23.2A3次谐波含量12.4%9.7%20.3%3.1A3.3A6.1A5次谐波含量50.8%52.7%58.4%12.7A17.9A17.5A7次谐波含量39.4%40.3%39.3%9.9A13.8A11.8A233、 1D5-3驱动系统配电柜回路谐波数据测试11D5-3回路谐波含量柱状图由图可知，1D5-3驱动系统配电柜中含有大量的谐波，其中除7次、13次谐波外，各次谐波含量都非常大。21D5-3驱动系统配电柜谐波含量详细数据3)1D5-3驱动系统配电柜的电压电流频率实测值经分析，1D5-3驱动系统配电柜谐波电流含量如下：A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流三相电流实测值9A8A10A总谐波含量141.8%151.1%124.6%12.8A12.1A12.5A3次谐波含量22.7%15%19.7%2.0A1.2A2.0A5次谐波含量69.4%76.5%60.8%6.2A6.1A6.1A7次谐波含量53.6%70.1%50.1%4.8A5.6A5.0A9次谐波含量19.3%16.7%11.6%1.7A1.3A1.16A11次谐波含量42.9%38.7%35.8%3.9A3.1A3.58A13次谐波含量28.4%38.1%27.6%2.6A3.0A2.8A234、 1D7-2高温炭化炉动力柜回路谐波数据测试11D7-2高温炭化炉动力柜回路谐波含量柱状图由图可知，1D7-2高温炭化炉动力柜回路中含有大量的谐波，其中3次、5次、谐波含量较大。21D7-2高温炭化炉动力柜回路谐波含量详细数据31D7-2高温炭化炉动力柜电压电流频率的实测值经分析，1D7-2高温炭化炉动力柜电流谐波含量如下所示：A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流三相电流实测值243A252A436A总谐波含量31.833%10.4%77.3A83.2A45.3A3次谐波含量28.2%29.5%3.8%58.5A74.3A16.6A5次谐波含量9.6%9.6%2.2%23.3A24.2A9.6A7次谐波含量6.4%7.2%1.6%15.6A18.1A2.6A235、 2*进线柜谐波数据测试12*进线三相电流波形由图可见，2*总线上含有谐波电流，并导致总线上的电流发生畸变。22*进线三相电流谐波柱状图 由图可见，2*总线上包含5次和7次谐波。32*进线三相电流谐波含量详细数据32*进线电压电流频率实测值经分析，2*进线电流谐波含量如下表所示：A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流三相电流实测值493A549A507A总谐波含量16.2%16.8%16.7%79.9A92.2A84.7A3次谐波含量1.9%1.8%1.8%9.4A9.9A9.1A5次谐波含量12.2%12.6%12.2%60.1A69.2A61.9A7次谐波含量9.2%9.8%10%45.4A53.8A50.7A现在对2*进线下各回路的谐波含量进展测量和分析。236、 2D6-1空压机控制柜回路谐波数据测试12D6-1空压机控制柜回路谐波含量柱状图由图可知，2D6-1空压机控制柜回路中含有大量的谐波，且各次谐波含量都非常大。22D6-1空压机控制柜回路谐波含量详细数据32D6-1空压机控制柜的电压电流频率实测值A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流三相电流实测值7A8A8A总谐波含量1262%145.7%101.9%8.8A11.7A8.2A3次谐波含量60.7%65.7%47.7%4.2A5.3A3.8A5次谐波含量58.9%67.4%43.1%4.1A5.4A3.4A7次谐波含量52.3%58.4%36.7%3.7A4.7A2.9A9次谐波含量48.2%54%37.5%3.4A4.3A3A11次谐波含量39.7%47%33.1%2.8A3.7A2.6A13次谐波含量28.4%36.6%24.9%2.0A2.9A2.0A15次谐波含量26.0%34.1%24.6%1.8A2.7A2.0A237、 2D6-2冷却循环系统回路谐波数据测试12D6-2冷却循环系统回路谐波含量柱状图由图可知，2D6-2冷却循环系统回路中含有的谐波，其中5次、7次谐波含量较大。22D6-2冷却循环系统回路谐波含量详细数据3) 2D6-2冷却循环系统回路的电压电流频率实测值经分析，2D6-2冷却循环系统回路的电流谐波含量如下所示：A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流常用负荷电流87A89A89A总谐波含量30.3%30.9%31.4%26.4A27.5A27.9A5次谐波含量24.5%24.8%26.0%21.3A22.1A23.1A7次谐波含量16.6%16.9%15.7%14.4A15.0A14.0A238、 2D6-5消防泵切换箱回路谐波数据测试12D6-5消防泵切换箱回路谐波含量柱状图由图可知，2D6-5消防泵切换箱回路中含有大量的谐波，其中5次、7次、11次和13次谐波含量非常大。22D6-5消防泵切换箱回路谐波含量详细数据32D6-5消防泵切换箱回路的电压电流频率实测值经分析，2D6-5消防泵切换箱回路电流谐波的含量如下所示：A相B相C相A相谐波电流B相谐波电流C相谐波电流三相电流实测值5A6A5A总谐波含量129.4%127.6%134.1%6.45A7.7A6.7A3次谐波含量19.6%13.5%28.5%1A0.81A1.43A5次谐波含量84.6%83.2%82.3%4.2A5.0A4.1A7次谐波含量68.4%72.2%78.4%3.4A4.3A4.09次谐波含量12.5%5.8%17.0%1.0A0.3A0.9A11次谐波含量50.3%46.3%42.8%2.5A2.8A2.1A13次谐波含量29.0%33.0%36.8%1.5A2.0A1.8A总结：从现场测试得到的数据可以看出，所测各回路的谐波含量很大，谐波危害非常大。由现场的负荷电流不是很大，所以并未表现出大面积的设备损坏，但谐波含量都大大超过国家标准GB/T14549 电能质量 公用电网谐波所规定的谐波限值，供电系统的电能质量污染程度非常严重，存在极大的平安隐患，必须引起有关部门高度重视，应及时治理。24、 谐波测试数据分析及设备选型241谐波测试数据分析序号测试点工况常用负荷电流A实测电流A电流谐波率%谐波电流A11*进线常用负荷410057810.158.421D5-3驱动系统常用负荷781015112.831D7-2高温碳化炉动力柜常用负荷6354363383.24氧化炉变频器动力柜常用负荷2673477.223.852*进线常用负荷195454916.892.262D6-1纱架常用负荷588145.711.772D6-2冷却系统常用负荷25617031.427.982D6-5消防泵系统常用负荷966134.17.7从表中的数据可以看出，所测各回路的谐波含量都非常大，最有效的方法是需要进展局部补偿加总补偿方式，专门治理，以实现治理效果，保证设备正常运行。但由于补偿的回路较多，治理的本钱较高，考虑到经济性，与用户协商后，选择只在总线处进展总体补偿，从一定程度上治理谐波电流。又因总线的负荷电流较大，所以所补偿的电流应留有较大的裕度，总结谐波治理方案如下：242选型统计表(1)根据补偿电流的大小，选择的有源滤波器的型号如下表所示：补偿支路谐波电流补偿电流有源滤波器选型1*进线58.4A200AAccuSine/4LS-210A 1台2*进线92.2A200AAccuSine/4LS-210A1台2有源滤波器电流采集CT选型：滤波器型号CT型号AccuSine/4LS-210ASGK662A-250/13塑壳断路器选型：滤波器型号断路器型号AccuSine/4LS-210ANS*250-3P4电力电缆选型滤波器型号功率电缆选择mm2(必须为多股软铜线)接地线mm2必须为铜线AccuSine/4LS-210AYJV-0.66/1kV-1150+1375YJV-0.66/1kV-110注：电缆长度需根据现场实际情况而定。3、谐波治理的意义及价值31谐波治理的意义1、采用合理的和高性价比的滤波方案，消除了主要谐波负载产生的谐波电流，并降低了由谐波电流引起的谐波电压局部由外部供电线路传入。2、防止了由于谐波电流和谐波电压引起的系统内短期和长期电气危害和故障：a) 短期：与电容器的谐波放大和谐振，损坏电容器，并引起系统谐波增大和振荡；变压器过载；电缆过载和发热；电动机发热、效率低；对其它配电回路的影响；对控制设备的干扰；电压不平衡导致的故障等等。b) 设备和电缆过载导致的绝缘损坏，引起短路、漏电和火灾隐患；谐波电流和电压导致电气设备的提前老化、降容、损坏而不得不提前更换。 3、保障了配电系统的供电可靠性和连续性，降低了停电带来的损失和风险，有助于提高公司的生产效率和能力。32 谐波治理的价值1、减少损耗，节约电能：谐波电流流经线路、断路器、发电机，特别是变压器，会产生大量的热损耗和铁损耗，导致电能的流失。所以使用使用有源滤波器滤除谐波电流可以减少损耗，节约电能。I变压器损耗变压器损耗分为：铜耗、铁耗、介质损耗、杂散损耗等。其铁耗又分为磁滞损耗和涡流损耗。不管分类如何复杂，按性质分只有两类：根本损耗和谐波损耗。谐波环境下，考虑集肤效应时，导体的各次谐波阻抗为 (1)式中，rn为导体中n次谐波电流所对应的电阻，；n为谐波次数。（1） 变压器的铜耗考虑集肤效应时，根据1可得变压器铜耗为 2式中，P为变压器铜耗，W；各次谐波电流，A；n=1时，表示基波电流；为变压器绕组基波电阻；为各次谐波含量，是指各次谐波电流与基波电流的比值，即表示为 后面公式采用都才是为了表达方便。表示谐波电流，表示基波电流。由式2可知，变压器的铜损耗由两局部构成。第一局部为根本的铜损耗，是由基波电流产生的；第二局部为谐波损耗，它是基波损耗的K倍 (3)在变压器中，当绕组导线施加畸变电流时，发生第一次集肤效应；绕组磁化变压器铁心后，产生了畸变磁场，又施加在绕组上，在绕组导线上发生第二次集肤效应。当变压器绕组为-Y接线方式时，3n次零序谐波电流叠加。变压器的谐波损耗通常归类为杂散损耗，及线圈涡流损耗，它是引起变压器铁心额外发热的重要因素。在各类电器设备中，谐波电流的损耗占根本铜耗的比例，以变压器为较大。代入数据计算得，谐波损耗为：P=3*0.094*21022*(44.082*3+80.612*5+30.352*7+4.02*9+14.472*11+16.182*13+2.012*15)/23022=11.92kW即，每小时变压的铜损的电量为11.92kWh。（2） 变压器铁耗铁耗是指发生在铁心中的损耗，铁心被外加励磁磁化，在磁化过程中产生了能量损耗。铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗，它导致变压器和电机效率降低，铁心温度升高，从而限制了出力的提高。磁滞损耗是由铁心磁化极性的反转造成的，有磁性材料的尺寸和品质、磁通密度的最大值和交流电流的频率决定的。对于正常范围1.5Wb/m2以下的磁通密度，基波频率下的磁滞损耗为 4式中，为常数，其值由铁心材料和尺寸决定，通常为2；为交流电流的基波频率；为磁通密度n次谐波最大值；为指数，其值取决于铁心材料，通常为1.6。当考虑谐波时，由式4可得 5由5推导得 6式中，为n次谐波的磁滞损耗标值；为第n次谐波的磁滞损耗；n为谐波次数，n=1表示基波；为磁通密度n次谐波最大值；为磁化电流的第n次谐波峰值；为总磁滞损耗。涡流损耗是由涡流电流流动引起的功率损耗，涡流感生于变压器铁心中，由交流励磁引起。根本涡流损耗为 7式中，k为常数，取决于铁心材料、尺寸和叠片厚度，通常为4。考虑谐涉及集肤效应时，由式7可得 8 9式中，为n次谐波的磁滞损耗标值；为第n次谐波的磁滞损耗；n为谐波次数，n=1表示基波；为磁通密度n次谐波最大值；为磁化电流的第n次谐波峰值；为总涡流损耗。则总铁耗为 10由以上分析代入数据可得，谐波的磁滞损耗和涡流损耗为：Ph谐=3*2*50*1.51.6*3*(44.08/2102)1.6+5*(79.88/2102)1.6+7*(30.35/2102)1.6+9*(4.05/2102)1.6+11*(14.17/2102)1.6+13*(16.18/2120)1.6+15*(2.01/2102)1.6=29.02kWP谐=3*4*502*1.52*32*44.08/21022+52*(79.88/21022+72*(30.35/2102)2+92*(4.05/2102)2+112*(14.17/2102)2+132*(16.18/2120)2+152*(2.01/2102)2=4.48kW所以，变压器谐波的铁耗为=29.02+4.48=33.50kW（3） 变压器总损耗经上述计算得，变压器的损耗包括铜损耗和铁损耗的总和为：P损=P铜+P铁=11.92+33.50=45.42 kW即治理谐波后，每小时可节约的电能为45.42kWh。II线路损耗根据计算公式：Irms2 +Il2=I含2Irms为谐波电流有效值，Il为治理后的负荷电流有效值，I含为治理前的负荷电流有效值谐波电流和治理前的谐波电流有效值，可算出治理后的负荷电流有效值。从而得到投入有缘滤波器后减少的损耗电流为：I= I含-Il再根据公式：P=I A*Va*cos$a+I B *Vb*cos$b+IC *Vc*cos$c Wapf(Va为A相电压有效值，cos$a为功率因数，一般为0.97， Wapf为滤波器所有负荷损耗100A为3.0kW，由于电压畸变非常小，忽略不计其对功耗的影响)经计算,C202车间回路的ILc202a=6922-1702=670A所以Ia=692-670=22A同理Ib=22A，Ic=21A.所以PC202=22*220*0.97+22*220*0.97+21*220*0.97=4.6948 kW/h同理可计算得C207车间回路PC207=19.8463 kW/hP总=PC207+PC202=19.8463+4.6948=25.5 kW/h从上述计算可知：投入有缘滤波器后，每小能节约电能损耗为25.5 Kw。2、现场采用了无功补偿系统，其本钱不菲，谐波超标，很容易引起系统谐振、温度过高，从而造成电容器损坏，谐波治理可以延长电容器的使用寿命，降低对电容器的本钱投入。根据往年公司对损坏电容器的粗略估算，更换电容器的材料、人工本钱至少40000元/年，还不包括因更换电容器造成功率因数降低，无功功率增加引起的无效能源损耗。3、防止由于谐波导致的设备老化、降容和损坏而产生的提前更换。在良好的供电环境下，一般UPS的设计使用寿命为812年，但是由于谐波电流对电气元件的作用，会极大缩短UPS的使用寿命，从而造成设备投入本钱增加。谐波治理将可以延长变频器的使用寿命，直接为公司节省电气投资本钱。4、对变压器而言，谐波最主要的影响是变压器温度上升，进而导致变压器的负载容量下降。经研究说明，变压器温升每升高8度，寿命将减少50%。对于昂贵的变压器而言，这是很大的损失。5、防止由于谐波导致功率因数下降，而受到供电局的罚款；或直接的谐波超标罚款。再者，Accusine有源滤波器还可以动态无功功率补偿，提高功率因数。6、谐波治理工程对公司最大的收益：提高供电可靠性和连续性，防止由于谐波引起的设备故障造成产品缺陷或生产停机，其经济效益不可估量，远远大于谐波治理所投入的本钱。4. AccuSine有源滤波器产品介绍1)电流互感器分别安装在负载侧，采集负载的电流信号 ；2)AccuSine就地安装在低压柜附近，通过电缆连接到各主要谐波负载的总进线端在电流互感器前端；3)设备尺寸(mm)：AccuSine/4LS-60A高792*宽440*深3684.1AccuSine技术参数内容参数谐波检测原理DFT瞬时相应时间1ms全相应时间20ms滤波范围2-51次谐波，并可选定次数IGBT开关频率15KHz滤波能力5%THD(I)*CT安装位置负载侧、电源侧都可以干接点5组输出干接点、1组输入干接点，1组紧急停机通讯RS232/USB,RS485/RS422,以太网通讯协议US/MODBUS通讯协议并联运行能力扩容能力最大8个控制模块并联可控制模块数一个控制模块最大带4个功率模块过载运行自限制100%额定容量输出可靠行MTBF10万小时故障报警保护过热等认证CEEN50178参考谐波标准IEC61000-3-4,IEEE519-1992EMC电磁兼容性标准IEC61000抗涌流能力浪涌电压的测试抗扰能力 IEC1000-4-5等级4级工作电压400V-20%15%工作频率50/60Hz+/-4Hz功率因数校正容性0.7-感性0.7电流互感器输入信号1A环境温度-5-40摄氏度存储温度-20-70摄氏度防护等级IP20空气湿度小于95%无结霜4.2AccuSine产品特性1)可同时滤出2次到51次谐波，并且响应时间小于20ms；2)瞬间225额定容量的涌流输出，治理闪变和电压波动；3)采用20kHz的IGBT，完美迅速消除谐波；4)单相动态补偿，不受系统负载不平衡的影响；5)可自动消除系统谐振与电容器；6)具有自动限流功能，不会发生过载；7)可以只滤波，或同时滤波和补偿无功；8)并联安装方式，安装简单、方便，易于扩展，可多台并联；9)每台滤波器有单独的控制器，并联运行的多台滤波器不会相互影响。4.3AccuSine功能原理滤波原理AccuSine通过外部互感器CTe实时采集电流信号，通过内部检测电路别离出其中的谐波局部，通过IGBT逆变出与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流，实现滤除谐波的功能。AccuSine的输出补偿电流是根据系统的谐波量动态变化的，因此不会出现过补偿的问题。另外，AccuSine有内部过载保护功能，当系统的谐波量大于滤波器容量时，AccuSine可以自动限制在100%额定容量输出，不会发生滤波器过载。无功补偿原理可以通过参数设置，使AccuSine在滤波的同时进展无功补偿。AccuSine根据检测系统的无功需求，通过内部IGBT逆变出容性或感性的基波电流，实现动态无功补偿，无功补偿的目标值可以通过AccuSine操作面板设定。AccuSine的无功补偿电流是根据系统无功量需求动态变化的，不会出现过补偿，柔性的无功补偿不会产生涌流冲击。工作原理如下图：4.4AccuSine内部控制原理如内部原理图所示，断路器合闸后，AccuSine首先通过预充电电阻对DC母线的电容器充电，当母线电压Vdc到达额定值后，预充电接触器闭合。直流电容作为储能元件，为通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时，直流电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电源。AccuSine通过外部CTe采集电流信号送至控制PCB的谐波别离模块，该模块将基波成分别离，将谐波成分送至调节和监测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和AccuSine已发出的补偿电流比拟，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。R1Cf熔断器L1CT2K1C2C3控制线路板IhImUdc控制信号逆变器电源负载谐波别离调节和监测驱动信号CT1*CB. z.