應(yīng)用案例
用戶基本情況
河北某汽車配件鑄造企業(yè)主要生產(chǎn)汽車輪轂產(chǎn)品，企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備有1噸中頻爐一套，使用1000KVA（10KV/0.4KV）專業(yè)變壓器供電,0.75噸中頻爐一套，使用800KVA（10KV/0.4KV）專業(yè)變壓器供電，機(jī)加工及辦公樓用電使用500KVA（10KV/0.4KV）變壓器供電，配備電容補(bǔ)償柜1臺(tái)容量為300KVAR。供電系統(tǒng)圖如下：
實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)
1000KVA變壓器所帶中頻爐最大功率1100KVA，平均功率因數(shù)為PF=0.91，工作電流1588A，800KVA變壓器所帶中頻爐最大功率900KVA，平均功率因數(shù)為PF=0.93，工作電流1300A。當(dāng)中頻爐使用時(shí)500KVA變壓器下的數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)控制異常，設(shè)定數(shù)據(jù)實(shí)際偏差及過壓保護(hù)等問題，無功補(bǔ)償柜不能正常工作，控制器不能自動(dòng)控制，手
動(dòng)投入補(bǔ)償后出現(xiàn)補(bǔ)償回路斷路器跳閘及炸裂情況，電容器漏油鼓肚經(jīng)常損壞，使功率因數(shù)只有0.82，每月都有3000左右的無功罰款，中頻爐不工作時(shí)數(shù)控機(jī)床及無功補(bǔ)償柜都能正常工作。
電力系統(tǒng)情況分析
中頻電爐整流電源主要負(fù)荷為6脈動(dòng)整流，整流設(shè)備在工作中在把交流變?yōu)橹绷鞯耐瑫r(shí)產(chǎn)生大量的諧波，屬典型諧波源；諧波電流注入電網(wǎng)，在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓，引起電網(wǎng)電壓電流畸變，影響供電質(zhì)量及運(yùn)行安全，使線路損耗及電壓偏移增加，對(duì)電網(wǎng)和工廠本身電氣設(shè)備均會(huì)產(chǎn)生不良的影響。
數(shù)控機(jī)床設(shè)備對(duì)供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設(shè)備常常須靠電壓波形的過零點(diǎn)或其它電壓波形取得同步運(yùn)行。電壓諧波畸變可導(dǎo)致電壓過零點(diǎn)漂移或改變一個(gè)相間電壓高于另一個(gè)相間電壓的位置點(diǎn)。這兩點(diǎn)對(duì)于電力電子電路控制是至關(guān)重要的?？刂葡到y(tǒng)對(duì)這兩點(diǎn)(電壓過零點(diǎn)與電壓位置點(diǎn))的判斷錯(cuò)誤可導(dǎo)致控制系統(tǒng)失控?？删庍^程控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(THD)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作，進(jìn)而造成生產(chǎn)或運(yùn)行中斷，導(dǎo)致較大的生產(chǎn)責(zé)任事故。
當(dāng)無功補(bǔ)償電容器組投入時(shí)，由于電容器組的諧波阻抗小，大量的諧波注入電容器組，使電容器電流迅速增大，嚴(yán)重影響其使用壽命，另一方面當(dāng)電容器組的諧波容抗與系統(tǒng)等效諧波感抗相等而發(fā)生諧振時(shí)，引起諧波電流嚴(yán)重放大（2-10倍）使電容器過熱而損壞，同時(shí)，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質(zhì)中引發(fā)局部放電，長(zhǎng)時(shí)間的局部放電也會(huì)加速絕緣介質(zhì)的老化，而容易導(dǎo)致電容器損壞。因此，電容無功補(bǔ)償柜不能應(yīng)用于中頻爐的補(bǔ)償，應(yīng)選用具有抑制諧波功能的濾波無功補(bǔ)償裝置。
濾波無功補(bǔ)償治理方案
治理目標(biāo)
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濾波補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)滿足國標(biāo)GB/T 14549-93標(biāo)準(zhǔn)及無功功率的管理規(guī)定。
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在0.4KV系統(tǒng)運(yùn)行方式下，濾波補(bǔ)償設(shè)備投運(yùn)后，中頻爐、變頻器特征諧波得到有效濾除，諧波濾除率在70%以上，月平均功率因數(shù)0.95以上。
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不因?yàn)橥度霝V波補(bǔ)償支路而引起諧波的諧振或諧振過電壓、過電流。
設(shè)計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)
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電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 GB/T14519-1993
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電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變 GB12326-2000
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低壓無功功率補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件 GB/T 15576-1995
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低壓無功就地補(bǔ)償裝置 JB/T 7115-1993
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無功補(bǔ)償技術(shù)條件；JB/T9663-1999《低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器》
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低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值 GB/T 17625.7-1998
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電工術(shù)語 電力電容器 GB/T 2900.16-1996
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低壓并聯(lián)電容器 GB/T 3983.1-1989
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電抗器 GB10229-88
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電抗器 IEC 289-88
設(shè)計(jì)思路
根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況，我公司針對(duì)中頻爐濾波無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)了整套方案，綜合考慮負(fù)荷功率因數(shù)、諧波治理，在企業(yè)變壓器0.4KV低壓側(cè)安裝一套濾波無功補(bǔ)償裝置對(duì)諧波進(jìn)行濾除，補(bǔ)償無功功率提高功率因數(shù)。
中頻爐工作過程中整流裝置產(chǎn)生6K+1次諧波，采用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì)電流進(jìn)行分解變換，即特征諧波產(chǎn)生5次250HZ、7次350HZ、11次550HZ高次諧波。故在設(shè)計(jì)中頻爐濾波無功補(bǔ)償時(shí)要針對(duì)250HZ、350HZ及550HZ頻率設(shè)計(jì)，保證濾波補(bǔ)償支路在有效濾除諧波的同時(shí)補(bǔ)償無功功率，提高功率因數(shù)，使系統(tǒng)諧波符合國標(biāo)GB/T 14549-93標(biāo)準(zhǔn)。
設(shè)計(jì)分配
1000KVA變壓器對(duì)應(yīng)的中頻爐綜合功率因數(shù)從0.91補(bǔ)償?shù)?.97以上,有效濾除5次、7次、11次及以上高次諧波，濾波補(bǔ)償裝置需要安裝容量為620KVar，分3組容量進(jìn)行自動(dòng)投切，對(duì)應(yīng)中頻爐整流電源進(jìn)行濾波補(bǔ)償，滿足中頻爐諧波濾除及無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)要求。
800KVA變壓器對(duì)應(yīng)的中頻爐綜合功率因數(shù)從0.93補(bǔ)償?shù)?.97以上,有效濾除5次、7次、11次及以上高次諧波，濾波補(bǔ)償裝置需要安裝容量為520KVar，分3組容量進(jìn)行自動(dòng)投切，對(duì)應(yīng)中頻爐整流電源進(jìn)行濾波補(bǔ)償，分為5次、7次、11次自動(dòng)進(jìn)行投切，滿足中頻爐諧波濾除及無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)要求。
500KVA變壓器對(duì)應(yīng)的數(shù)控機(jī)床及其他負(fù)載綜合功率因數(shù)從0.82補(bǔ)償?shù)?.97以上,抑制5次及以上諧波,濾波補(bǔ)償裝置需要安裝容量為256KVar，分4組容量進(jìn)行自動(dòng)投切，分級(jí)調(diào)節(jié)容量為22KVAR，能夠適應(yīng)負(fù)載的各種功率要求。
以上設(shè)計(jì)充分保證了諧波治理符合國標(biāo)GB/T 14549-93標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)中頻爐功率因數(shù)在0.97以上。
如下圖：
安裝濾波補(bǔ)償后效應(yīng)分析
2010年6月中頻爐、變頻器濾波無功補(bǔ)償裝置安裝投運(yùn)，裝置自動(dòng)跟蹤中頻爐、變頻器負(fù)荷變化情況，事實(shí)
消除高次諧波補(bǔ)償無功功率，提高功率因數(shù)。情況如下：
諧波頻譜分布圖
濾波補(bǔ)償前（電流） 濾波補(bǔ)償后（電流）
濾波補(bǔ)償前（電壓） 濾波補(bǔ)償后（電壓）
負(fù)載波形圖
濾波補(bǔ)償前（電流） 濾波補(bǔ)償后（電流）
濾波補(bǔ)償前（電壓） 濾波補(bǔ)償后（電壓）
功率因數(shù)曲線圖
濾波補(bǔ)償裝置投入后功率因數(shù)0.97左右（凸起部分為切除濾波補(bǔ)償裝置時(shí)功率因數(shù)只有0.8左右）
負(fù)載運(yùn)行情況
1000KVA變壓器對(duì)應(yīng)的中頻爐綜合功率因數(shù)0.97以上,5次諧波自330A降到66A,7次諧波自170A降到36A，11次諧波自120A降到22A,變壓器使用電流從1530A降為1210A，降幅為21%。
800KVA變壓器對(duì)應(yīng)的中頻爐綜合功率因數(shù)0.97以上,5次諧波自264A降到39A,7次諧波自135A降到24A，11次諧波自102A降到18A,變壓器使用電流從1140A降為920A，降幅為19.3%。
500KVA變壓器對(duì)應(yīng)的綜合功率因數(shù)0.97以上,有效抑制了諧波補(bǔ)償了無功功率，變壓器使用電流從778A降為650A，降幅為16.5%。
補(bǔ)償后功率損耗減少值為WT=△Pd*(S1/S2)2*τ*[1-(cosφ1/cosφ2)2]=24×{(0.91×2000)/2000}2×0.4≈9(kw·h)式中Pd為變壓器短路損耗,為24KW,年節(jié)省電費(fèi)開支9*8*30*12*0.7=18144元（按每天工作8小時(shí)，每月30天，全年12個(gè)月，每度電0.7元錢）；由于諧波降低節(jié)約的電費(fèi)： 諧波電流對(duì)變壓器產(chǎn)生的損耗主要為增加鐵磁損耗和銅損,鐵磁損耗與諧波電流頻率的三次方有關(guān),工程上一般取2%~5%,對(duì)于整流負(fù)荷,取3%,即:
WS=2000*3600*0.7*0.03≈15萬元，即全年節(jié)約電費(fèi)15+1.8=16.8（萬元）。
功率因數(shù)情況
企業(yè)當(dāng)月綜合功率因數(shù)達(dá)到0.95，月無功利率調(diào)整電費(fèi)由罰款變?yōu)楠?jiǎng)勵(lì)4680元，且以后每月功率因數(shù)都保持在0.97-0.98，每月都獎(jiǎng)勵(lì)3000-4000元不等。
結(jié)論
綜上所述中頻爐濾波無功補(bǔ)償裝置具有很好的濾除諧波和補(bǔ)償無功的能力，解決了企業(yè)長(zhǎng)時(shí)間承受利率電費(fèi)罰款的難題，增強(qiáng)了變壓器的輸出能力，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，用戶投資不到一年就收回了投資。因此企業(yè)對(duì)我公司生產(chǎn)的中頻爐濾波無功補(bǔ)償非常滿意，并在以后給介紹了不少客戶。
