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0.4KV低壓設備的無功及諧波治理—地鐵線有源電力濾波器

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前言:地鐵車站這類市政公共交通建筑的著重系統(tǒng)—配電系統(tǒng),實現(xiàn)綠色電網(wǎng)實質(zhì)上是解決電網(wǎng)中存在的各種電能問題,主要是涉及到諧波無功問題兩個方面,本文章就某條地鐵線目前的電力系統(tǒng)狀態(tài)而言,其在低壓配電系統(tǒng)中裝設有源電力濾波器進行諧波治理,但APF實際未投入。系統(tǒng)中的諧波問題仍然存在,因此需對該站點進行詳細的測試,同時為該線路的有源電力濾波器APF進行必要性評估,對后續(xù)新開線路的有源濾波器設置提出參考意見。

1.地鐵電能質(zhì)量分析

如今呢城市軌道交通普遍存在的主要電能質(zhì)量問題就是功率因數(shù)、電壓波動與閃變及諧波問題等。當前35KV和0.4KV大量使用電纜,夜晚期間一般所有的負荷基本停運,由于該用電負載多數(shù)為感性負荷,此時感性無功基本接近為零,產(chǎn)生的容性無功甚至可以達到幾Mkvar。若無功功率倒送進電力系統(tǒng),會導致線路電壓升高,同時也會導致功率因數(shù)降低。地鐵中電力機車屬于典型的非線性負荷,由于運行過程中啟停頻繁,短時間內(nèi)會產(chǎn)生沖擊性負載電流,此類沖擊會造成電壓的波動與閃變。

2.主要研究內(nèi)容

以廣東某地鐵站為例,由于該地鐵站高壓側(cè)110kV和35kV無功及諧波方面已經(jīng)治理,本篇文章主要突出治理0.4KV低壓設備的無功及諧波等相關(guān)問題。線路阻抗隨著頻率的升高而增加,諧波電流使線路的附加損耗增加,而供電電網(wǎng)的損耗大部分為變壓器和線路的損耗,所以諧波是導致電網(wǎng)網(wǎng)損增加的一個重要因素。

線路的分布電感對地電容與產(chǎn)生諧波的設備組成串聯(lián)或并聯(lián)回路,在一定的參數(shù)條件下,會發(fā)生串聯(lián)諧振并聯(lián)諧振,而且所產(chǎn)生的諧振過電壓和過電流對相關(guān)設備的危害性較大。(此情況一般出現(xiàn)在高壓環(huán)境下,在0.4KV低壓環(huán)境中由于線路和變壓器的分布電容過小,一般忽略不計)在適當?shù)臈l件下還會形成諧波放大,而諧波電壓、電流放大會引起繼電保護裝置誤動甚至損壞,造成電力火災。諧波電流對線纜的肌膚效應會造成線纜發(fā)熱過量,絕緣強度降低,造成電纜損耗增加,壽命縮短,額定容量降低

同時諧波電流還會導致系統(tǒng)的運行威脅導致不安全因素的出現(xiàn),嚴重時會影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進行。1377-443-0992故我司組織針對地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進行了測試。同時對地鐵系統(tǒng)中負載主要為照明、空調(diào)、泵機類、電梯、信號電源、UPS等設備進行開啟有源濾波APF和不開啟有源APF情況下進行測試,對測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,選出合適的型號的治理設備,同時計算該設備選擇的節(jié)能性。

3.測試數(shù)據(jù)及分析

(1)測試數(shù)據(jù)及分析

① 1#變壓器低壓側(cè)測試數(shù)據(jù)

通過上述測試數(shù)據(jù)分析得出,電壓畸變率波動在1.2%~1.4%之間,電流畸變率為10%~15%左右,系統(tǒng)基波電流值約為500A,電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為主,總的諧波電流值約為125A,N線電流主要為3次諧波電流的疊加導致。需要選擇的輸出治理電流每相至少在125A以上,N線輸出能力為相線的3倍,可解決中線諧波電流疊加的問題。該變壓器容量為1250kVA,現(xiàn)有地鐵車站的濾波器設計中考慮到功率因數(shù)提高至0.92的要求,因此在濾波的同時需要考慮留有一定容量進行無功補償,一般按照變壓器容量的30%進行無功補償配置。1377-443-0992

② 2#變壓器低壓側(cè)測試數(shù)據(jù)

通過上述測試數(shù)據(jù)分析出,電壓畸變率波動在1.4%~1.5%之間,電流畸變率為10%~20%左右,系統(tǒng)基波電流值約為500A,電流畸變頻譜表明其中3次、5次、7次和11次諧波電流為主,總的諧波電流值約為100A,N線電流主要為3次諧波電流的疊加導致。需要選擇的輸出治理電流每相至少在100A以上,N線輸出能力為相線的3倍,可解決中線諧波電流疊加的問題。該變壓器為1250kVA的變壓器,現(xiàn)有地鐵車站的濾波器設計中考慮到功率因數(shù)提高至0.92的要求,因此需要考慮留有一定容量進行無功補償,一般按照變壓器容量的30%進行無功補償配置。

(2)測試方法

現(xiàn)場工作人員的配合下對共計2臺變壓器(1#變壓器和2#變壓器)進行了詳細的電能質(zhì)量測試,本次方案的目標是完全消滅系統(tǒng)中諧波電流污染的問題尤其是3N次諧波電流疊加導致N線電流增加問題,同時N線電流增加容易導致電氣火災的發(fā)生,因此在整個用電系統(tǒng)中對于電流數(shù)據(jù)的采集較為重要。在方案制定時將會根據(jù)測試值對現(xiàn)場治理設備進行設計選型,保證系統(tǒng)中諧波電流的濾除。測試時每個測試點均進行了24小時的監(jiān)測能夠明確整個周期內(nèi)的典型電能質(zhì)量狀況。

(3)測試說明

本次測試主要針對廣東某地鐵站低壓配電室的1#和2#變壓器進行了測試。系統(tǒng)中負載主要為照明、空調(diào)、泵機類、電梯、信號電源、UPS等設備,開關(guān)電源的啟動瞬間形成電流沖擊,和其它設備在運行過程中會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波電流污染。該系統(tǒng)中各變壓器的負荷性質(zhì)決定了在其運行的過程中會產(chǎn)生諧波電流并匯入配電網(wǎng)中對配電系統(tǒng)造成一定的諧波污染問題,系統(tǒng)中存在的節(jié)能照明在運行過程中產(chǎn)生3次諧波電流,3次諧波電流為零序諧波電流,三相矢量角度一致,存在N線上諧波電流的疊加情況,N相電流是相線的3倍,本次測試主要是針對這些問題進行的。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗,諧波電流會導致系統(tǒng)的運行威脅同時還會造成電纜的額外發(fā)熱并加速電纜的絕緣老化導致不安全因素的出現(xiàn),嚴重時會影響甚至是中斷生產(chǎn)工作的進行。

4.三次諧波問題相應闡述

(1)三次諧波的概念及不良影響

對周期性非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分化,可得到頻率為基波整數(shù)倍的電量,這些電分量被統(tǒng)稱為諧波。其中,頻率為基波三倍的電量被稱為三次諧波。在社會的高速發(fā)展下,民眾與社會對于電能的需求量與日俱增,對電能質(zhì)量的要求也日漸提高。隨著種類豐富的電子設備在民眾生活中的廣泛普及,其中具有非線性負荷特性的電子設備也使電力系統(tǒng)中的電壓、電流狀態(tài)出現(xiàn)了一些改變。在利用傅里葉級數(shù)分化分析電壓、電流波形時,便會發(fā)現(xiàn)50Hz、220V電力中存在一些150Hz交流的正弦波,即頻率50Hz的三倍的“三次諧波”。1377-443-0992

伴隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展,非線性負載的數(shù)量占比越來越多,其在工作時三次諧波占比較大。這種不良現(xiàn)象除了會增加整體電力系統(tǒng)的耗損,更會致使中性線線負載變大,嚴重影響電力系統(tǒng)整體的安全性以及穩(wěn)定性,甚至會引發(fā)一系列的安全事故。另外三次諧波使電網(wǎng)出現(xiàn)發(fā)熱的狀況,嚴重時引發(fā)安全事故;對電子元器件日常的使用和運行產(chǎn)生不良影響,致使其產(chǎn)生錯誤操作;嚴重縮短電力設施使用壽命。三次諧波不僅僅會產(chǎn)生諸多危害,更會對電網(wǎng)整體的穩(wěn)定性以及安全性產(chǎn)生嚴重的不良影響,進而影響民眾的日常生產(chǎn)、生活有關(guān)活動、行為以及社會的和諧發(fā)展。所以,有關(guān)部門應當采取合理措施,減少乃至避免三次諧波的危害。

(2)對三次諧波治理的合理建議

對于單相整流電路非線性負荷而言,傳統(tǒng)的無源濾波器并不適用。這主要是由于其濾波效果較差,同時還會生成較大容性無功,而這部分容性無功既是非線性負荷不會用到的,也是整體電網(wǎng)所不需要的。

有關(guān)部門應當采用有源濾波器進行治理。在單獨使用此類濾波器對線路中諧波電流進行檢測的時候,能夠生成將其抵消的補償類電流。然而從整體效果上來看,此類濾波器只能夠確保安裝部位上游的諧波電流變小,卻不能對下游線路產(chǎn)生效果。所以,當對上述特征加以了解后,便能夠針對性地處理三次諧波污染,即將有源的濾波器安裝到存在三次諧波的下游線路中。除此之外,經(jīng)過多年實踐可知,當濾波器距離三次諧波電流源頭越近,其防治的效果越好。與此同時,若三次諧波的過濾器為并聯(lián)形式,也能夠降低三次諧波的電壓,所以,將三次諧波的濾波器并聯(lián)于非線性的負荷比較大供電點處時,能夠?qū)⑷沃C波影響的危害控制在較低.1377-443-0992

5.諧波治理整體解決方案

(1)有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器的工作原理如圖1所示,主要由負載電流分離、指令電流調(diào)節(jié)、輸出電流控制、驅(qū)動電路以及主電路組成。它采用電流型變流器,經(jīng)連接電抗器接入系統(tǒng),通過調(diào)整交流側(cè)逆變輸出電壓的瞬時幅值與相位,或直接控制交流側(cè)輸出電流,使裝置發(fā)出或吸收寬頻譜無功功率?;陔娏﹄娮拥挠性措娏V波器裝置并聯(lián)于電網(wǎng)中,相當于一個可控的無功及諧波電流源,其無功及諧波電流可以快速地跟隨負荷無功電流的變化而變化,自動補償電網(wǎng)系統(tǒng)所需無功及諧波,并且可以實現(xiàn)從感性無功到容性無功的全范圍補償,同時對電網(wǎng)電壓進行動態(tài)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。

圖1 有源電力濾波器工作原理圖

(2)有源電力濾波器的工作原理

有源電力濾波器采用模塊化插拔式設計,集三相不平衡治理、諧波抵制和無功補償功能為一體,方便運維人員安裝拆卸,同時也方便將來用電負荷發(fā)生變化擴展補償容量。

該有源濾波裝置主要特點有以下幾個方面:

①線性補償,全響應時間≤5ms;1377-443-0992

②標準模塊化設計,縮短交付周期,同時提高了使用的可靠性和可維護性。

③ 具有人性化的人機交互界面,可通過該界面看到系統(tǒng)和本體的實時電能質(zhì)量信息,操作簡單,可以遠控,也可以本控;

④ 補償方式靈活:既可補諧波,又可兼補無功,可對2-51次諧波進行全補償或指定特定次諧波進行補償,同時可治理三相不平衡問題;

⑤ 監(jiān)控以及顯示具備遠程通訊接口,可以通過PC機實時監(jiān)控;

⑥ 采用DSP高速檢測和運算的數(shù)字控制系統(tǒng)和進口IGBT,功率密度大,可靠性高;

有源電力濾波器可采用壁掛和整柜方式安裝,同時可實現(xiàn)集中和就地治理,如圖2所示的產(chǎn)品,給安裝、 維護及日后升級帶來了便捷,提高了整體的安裝效率。

6.案例分析

(1)項目背景

廣東某地鐵改造系統(tǒng)中負載主要為照明、空調(diào)、泵機類、電梯、信號電源、UPS等設備,開關(guān)電源的啟動瞬間形成電流沖擊,和其它設備在運行過程中會對系統(tǒng)產(chǎn)生諧波電流污染。其諧波主要包括3、5、7、9次;不進行合理治理,將對其他電氣設備產(chǎn)生危害,比如大量的3次諧波造成中線過熱甚至發(fā)生火災;大量諧波造成變壓器局部嚴重過熱;繼電保護發(fā)生誤動作等。1377-443-0992

(2)治理方案

根據(jù)以往測量經(jīng)驗進行諧波分析與估算,諧波主要由UPS和一些非線性直流電源產(chǎn)生,該項目有1#、2#兩個配電站,1#配電站有2臺800kVA的變壓器,2#配電站有2臺1000KVA的變壓器,分別采用集中治理方案,在每臺變壓器下加裝ANAPF系列有源電力濾波器,由于安裝空間有限,選擇我司壁掛式有源電力濾波器進行嵌入式安裝,1#配電站中#1和#2變壓器下安裝型號均為ANAPF75-380/BBL,2#配電站中#1和#2變壓器下安裝均為2臺型號為ANAPF60-380/BBL的有源電力濾波器并機使用,保障了整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

(3)治理效果

圖3 治理之前電流波形和各次諧波電流畸變率

圖4 治理之后電流波形和各次諧波電流畸變率

治理前電流波形發(fā)生畸變,三相電流畸變率分別為10.8%、11.1%、12.5%;在加裝ANAPF系列有源電力濾波器后電流波形趨向正弦波,各次諧波得到抵制,電流畸變率明顯降低,三相電流畸變率降至4.0%、4.1%、4.4%。

(4)安裝現(xiàn)場

7結(jié)論

本文主要地鐵負載電能質(zhì)量治理方案的相關(guān)內(nèi)容,1377-443-0992通過對地鐵電能質(zhì)量方面出現(xiàn)的問題進行分析,并結(jié)合電能質(zhì)量相應測量數(shù)據(jù),給出相應的治理方案。后結(jié)合廣東某地鐵電能質(zhì)量改造項目案例,并通過現(xiàn)場實際應用證明了濾波器設備的實用性,驗證了有源濾波器設備可快速地治理無功及諧波電流,并且解決地鐵用電負荷增長帶來的電能質(zhì)量惡化問題,對地鐵電子設備、儀器儀表的計量和整體供電能力、安全運行及經(jīng)濟效益具有重要的意義。

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