安科瑞 鮑靜君

　　摘要：在水務(wù)行業(yè)供配電系統(tǒng)中,，涉及曝氣風(fēng)機(jī),、提升泵,、污泥脫水設(shè)備等感性負(fù)荷設(shè)備,，導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較多無功功率和大量的諧波,，使部分設(shè)備表現(xiàn)出輕載或不滿載運(yùn)行狀況降低功率因數(shù),，以及諧波對配電系統(tǒng),、負(fù)載產(chǎn)生較大的危害,。就此,，水務(wù)行業(yè)需提高對電能質(zhì)量的重視,，通過有效的無功補(bǔ)償,、諧波治理措施，調(diào)節(jié)功率因數(shù)和濾除諧波,，從而節(jié)能降耗,。

　　關(guān)鍵詞：水務(wù)行業(yè)供配電系統(tǒng),；無功功率,；諧波；功率因數(shù),；電能質(zhì)量

　　1引言

　　在配電系統(tǒng)中,，如果容量過大，技術(shù)人員會(huì)配置無功補(bǔ)償裝置,，用于提升設(shè)備的功率因數(shù),，減少配電網(wǎng)的損耗。在某污水處理廠中,，檢測人員對變壓器進(jìn)行短時(shí)間檢測,，雖然檢測結(jié)果表明，變壓器在負(fù)載低于25%的工況下,，功率因數(shù)大于0.9,，總諧波畸變率低于5%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn),。但結(jié)合現(xiàn)場勘查結(jié)果與檢測數(shù)據(jù),，分析該污水處理廠 在無功補(bǔ)償方面仍存在不足。工藝設(shè)備中負(fù)荷重要的設(shè)備(重要工段的水泵,、鼓風(fēng)機(jī)等)和設(shè)備組(污泥脫水及干化系統(tǒng) ,、加藥系統(tǒng)等)均由變配電室0.4kV系統(tǒng)放射式供電。

　　2水務(wù)行業(yè)諧波源分析

　　水務(wù)行業(yè)污水處理廠的主要大功率設(shè)備包括曝氣風(fēng)機(jī),、提升泵,、污泥脫水設(shè)備以及干化成套設(shè)備等，還有大型空調(diào)系統(tǒng),、變頻器,、通風(fēng)設(shè)備。

　　這些設(shè)備的變頻機(jī)構(gòu),、控制部件都是典型的非線性負(fù)載,，會(huì)產(chǎn)生20%-50%的諧波流入配電系統(tǒng)，污染電網(wǎng),，不僅會(huì)對無功功率補(bǔ)償設(shè)備造成潛在影響還會(huì)影響各類電氣設(shè)備正常運(yùn)行,，降低系統(tǒng)效率,，增加電力成本。

圖1 污水處理流程圖

　　3 諧波的影響

　　3.1諧波對電網(wǎng)的影響

　　導(dǎo)致電網(wǎng)功率消耗變大,、設(shè)備試用時(shí)間降低,、接地保護(hù)功能和遙控功能出現(xiàn)異常、線路與設(shè)備熱量變大等,，特別是三次諧波導(dǎo)致非常大的中性線電流,，造成配電變壓器零線電流大于相線電流數(shù)值，致使設(shè)備不能平穩(wěn)運(yùn)行,。因此,，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生，則會(huì)將運(yùn)行正常的供電停止,、情況嚴(yán)重,、電網(wǎng)解裂等情況發(fā)生。諧振造成變電站局部并聯(lián)與串聯(lián),，致使電壓互感器設(shè)施損壞,；造成變電站系統(tǒng)當(dāng)中的設(shè)備與元件生成附加的諧波損耗，導(dǎo)致電力變壓器,、電力電纜,、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備溫度上升，電容器損壞,，進(jìn)而促進(jìn)了絕緣材料發(fā)生質(zhì)變的速率

　　3.2對變壓器的影響

　　諧波會(huì)增加變壓器的銅耗,、鐵耗和雜散磁通損耗（線圈渦流損耗），可能在變壓器繞阻和線電容之間產(chǎn)生諧振,，變大變壓器發(fā)熱,，甚至引起局部嚴(yán)重過熱，同時(shí)使變壓器噪聲變大,，減少變壓器的實(shí)際使用容量,，降低變壓器的使用壽命,。

　　3.3對電容柜的影響

　　在諧波的作用下電容器將過熱,，導(dǎo)致絕緣部分老化，縮短使用壽命,。當(dāng)諧波次數(shù)較高時(shí),，電容器呈現(xiàn)低阻抗特性，流過電容器的電流將變大,，使得電容器處在過載的工作情況,，縮短使用壽命。諧波往往還會(huì)使電容器介質(zhì)損耗增加,，其直接后果是額外的發(fā)熱和壽命縮短,。電容器和電源電感結(jié)合也會(huì)構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路,，在諧振情況下諧波電流會(huì)被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，最終導(dǎo)致電壓會(huì)大大高于電容器的額定電壓值,，使電容器損壞炸裂或保護(hù)熔斷器熔絲熔斷,。

　　4水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量檢測和治理系統(tǒng)解決方案

　　4.1行業(yè)特征

　　l 對電能質(zhì)量的要求較高；

　　l 負(fù)載中包含不同種類的諧波源,，配電諧波的含量較高,；

　　l 諧波主要以2N±1次諧波為主；

　　4.2解決方案

　　水處理行業(yè)主要以污水處理廠為主,，隨著城市的發(fā)展,，各個(gè)城市對水處理也逐漸重視起來，對于老廠會(huì)進(jìn)行設(shè)備更新,，發(fā)展較快的會(huì)擴(kuò)廠增加設(shè)備,。水處理廠配備大量抽送水泵，過濾設(shè)備,，自動(dòng)處理設(shè)備,，這些設(shè)備共同的特點(diǎn)是：設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量的諧波；對電源質(zhì)量要求很高,。在設(shè)備運(yùn)行過程中如果存在大量的諧波,，會(huì)使電壓、電流波形發(fā)生畸變,，影響系統(tǒng)供電質(zhì)量,。同時(shí)還對其它供電及用電設(shè)備造成危害，縮短設(shè)備使用壽命,，干擾重要設(shè)備的正常工作,。水處理設(shè)備用電系統(tǒng)的諧波治理已成為行業(yè)發(fā)展所需要考慮的問題。

　　安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理,、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求,，致力于為水務(wù)行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品,、系統(tǒng),、服務(wù)等不同方面來滿足用戶的需要。為用戶創(chuàng)造價(jià)值,。

　　4.3方案特點(diǎn)

　　l 電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)即可通過本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測,、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺(tái),，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù),；

　　l 符合GB/T17626.30-2012中A 級(jí)準(zhǔn)確度測量方法，適用于要求準(zhǔn)確測量電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的場合,；

　　l 專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,，測量精度高,、測得準(zhǔn)，符合 IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn),；

　　l 電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置信息互聯(lián),，通過統(tǒng)一平臺(tái)管理，方便用戶同時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數(shù)據(jù),；

　　l 采用三電平電力電子驅(qū)動(dòng)器件,，通過更多的電平輸出更高品質(zhì)的治理波形。

　　5安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理產(chǎn)品選型

　　5.1集中治理

　　針對水務(wù)行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的曝氣風(fēng)機(jī),、提升泵,、污泥脫水設(shè)備以及干化成套設(shè)備泵等電器設(shè)備及數(shù)量較多的變頻器設(shè)備，為減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響,，同時(shí)確保無功功率因數(shù)達(dá)到國標(biāo)要求值,，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式,，同時(shí)也可對整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測,，其中包含諧波分析、波形采樣,、電壓暫降,、暫升、中斷,、閃變監(jiān)測等,，其集中治理的產(chǎn)品選型見表1。

　　5.2就地治理

　　曝氣風(fēng)機(jī),、水泵等末端設(shè)備,，運(yùn)行過程中不可避免的對整個(gè)供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染，電流畸變率一般會(huì)達(dá)到30%~50%,。同時(shí)辦公樓照明普遍采用LED熒光燈,、金鹵燈、調(diào)光器等,，此類照明裝置主要負(fù)荷類型為開關(guān)電源型,，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流,，三相矢量角度一致,，因此向N線進(jìn)行疊加,，導(dǎo)致N線電流過大,。針對以上負(fù)載情況，建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理,，達(dá)到終端治理諧波的目的,，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備,。

　　5.3電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)

　　（1）平臺(tái)拓?fù)?/strong>

　　電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)平臺(tái)主要由電能質(zhì)量治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān),、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成,，其中電能質(zhì)量治理設(shè)備作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)龋锢砭W(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對設(shè)備進(jìn)行策略功能分配,，數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器最終以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示,。

　　（2）平臺(tái)展示

　　電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外,，亦可通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái),，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)。

　　6水務(wù)行業(yè)電能質(zhì)量案例及解決方案

　　6.1案例分析

　　湖南某污水處理廠一臺(tái)2000kva的變壓器,，變壓器低壓側(cè)兩臺(tái)電容補(bǔ)償柜,，補(bǔ)償容量為1000 kvar，柜內(nèi)為接觸器投切,，且均為自動(dòng)投切,。顯示異常的儀表在返廠檢修后發(fā)現(xiàn)儀表內(nèi)主板均有不同程度的損壞。根據(jù)上述事故發(fā)生后用電設(shè)備的損毀情況描述,，結(jié)合該污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況,，初步判斷是供配電系統(tǒng)有諧波擾問題。針對該問題,，污水處理水廠委托第三方電能檢測機(jī)構(gòu)對事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行了電能質(zhì)量測試,。

　　主要監(jiān)測參量：交流電壓/電流有效值、電壓/電流相位不平衡,、電壓/電流頻譜圖,、總諧波畸變率、50次以內(nèi)的諧波含量,、電壓/電流的峰值因數(shù),、電壓閃變、有功功率,、無功功率,、功率因數(shù)、電壓/電流的瞬態(tài)值及波形,。

　　電能質(zhì)量測試選取的三處測試點(diǎn)A/B/C的諧波監(jiān)測結(jié)果均不合格,，針對該結(jié)果進(jìn)行以下具體分析：

　　（1） 測試點(diǎn)A為3臺(tái)152 kW的臭氧設(shè)備的電源進(jìn)線端,，2用1備,。在污水處理廠運(yùn)行期間，臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時(shí)，電流存在斷續(xù)工作的情況,，諧波電流波動(dòng)范圍值為33??? 284 A（圖1）,，數(shù)值波動(dòng)很大，且變化周期短,。在有電流工作狀態(tài)時(shí),，可以檢測到諧波電流，反之,，無諧波電流,。當(dāng)臭氧設(shè)備處于電流斷流和有電流交替的工作狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的諧波電流就會(huì)非常大,。

　?。?）測試點(diǎn)B為4臺(tái)75 kW外排泵變頻柜的電源進(jìn)線端。經(jīng)測試,，該變頻柜滿載后產(chǎn)生的諧波含量在35%左右,，且返廠維修的5塊在線儀表的安裝位置都集中在外排泵的附近區(qū)域。變頻器的整流是通過使用晶閘管等非線性電力電子元件實(shí)現(xiàn)的,，這種方式可以很好地滿足處理水量的變化和處理工藝的變化,，提高污水處理的效率，但在變頻器輸入側(cè)和輸出側(cè)產(chǎn)生的諧波會(huì)直接影響整個(gè)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,，尤其是在同一線路中裝有數(shù)量較多或功率較大的變頻器時(shí),，對電網(wǎng)的沖擊就會(huì)更大。

　?。?）測試點(diǎn)C為變壓器二次側(cè)總出線端,。受測試點(diǎn)A和B的諧波疊加影響，事故發(fā)生時(shí),，電網(wǎng)中很有可能產(chǎn)生了局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,，進(jìn)而使系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流值大大超過了測試點(diǎn)A處的電容柜內(nèi)電容器和電抗器的電流限值，導(dǎo)致部分投用的電容器和電抗器迅速燒毀,，同時(shí)對電網(wǎng)內(nèi)的其他用電設(shè)備也造成了不同程度的影響,。

圖2 C點(diǎn)波形圖及各次諧波電流

　　6.2治理方案

　　原先電容柜替換為SVG靜止無功發(fā)生器，防止無功補(bǔ)償柜受諧波影響損壞電容,，也防止發(fā)生諧振,，從而導(dǎo)致無功補(bǔ)償柜燒毀。容量按原先電容柜容量進(jìn)行替換,，功率因數(shù)可達(dá)1,，減少客戶電費(fèi)支出。

　　根據(jù)該污水處理廠電能質(zhì)量的實(shí)測結(jié)果,，變壓器二次側(cè)含有5次,、7次,、11次、13次諧波,，總諧波電流達(dá)到200A,，諧波畸變率達(dá)到27.6%,，所以建議安裝有源濾波器,。最終在我公司的建議下，在變壓器的出線側(cè),，安裝了1臺(tái)300A有源濾波器,。

　　7結(jié)論

　　水務(wù)行業(yè)中的設(shè)備普遍采用變頻器、電機(jī),、水泵,，使非線性設(shè)備負(fù)荷的種類和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴(yán)重,，給配電系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備帶來巨大危害,。但水務(wù)行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加,、設(shè)備故障,、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)巨大。通過對水務(wù)行業(yè)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行研究,，結(jié)合系統(tǒng)平臺(tái)提出合理的整體解決方案,，對改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,，保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義,。