中頻電爐諧波治理補償裝置
應用案例
用戶基本情況
河北某汽車配件鑄造企業(yè)主要生產汽車輪轂產品，企業(yè)生產設備有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，機加工及辦公樓用電使用500KVA（10KV/0.4KV）變壓器供電，配備電容補償柜1臺容量為300KVAR。供電系統(tǒng)圖如下：
實際運行數(shù)據
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。當中頻爐使用時500KVA變壓器下的數(shù)控機床出現(xiàn)控制異常，設定數(shù)據實際偏差及過壓保護等問題，無功補償柜不能正常工作，控制器不能自動控制，手
動投入補償后出現(xiàn)補償回路斷路器跳閘及炸裂情況，電容器漏油鼓肚經常損壞，使功率因數(shù)只有0.82，每月都有3000左右的無功罰款，中頻爐不工作時數(shù)控機床及無功補償柜都能正常工作。
電力系統(tǒng)情況分析
中頻電爐整流電源主要負荷為6脈動整流，整流設備在工作中在把交流變?yōu)橹绷鞯耐瑫r產生大量的諧波，屬典型諧波源；諧波電流注入電網，在電網阻抗上產生諧波電壓，引起電網電壓電流畸變，影響供電質量及運行安全，使線路損耗及電壓偏移增加，對電網和工廠本身電氣設備均會產生不良的影響。
數(shù)控機床設備對供電電壓的諧波畸變很敏感，這種設備常常須靠電壓波形的過零點或其它電壓波形取得同步運行。電壓諧波畸變可導致電壓過零點漂移或改變一個相間電壓高于另一個相間電壓的位置點。這兩點對于電力電子電路控制是至關重要的?？刂葡到y(tǒng)對這兩點(電壓過零點與電壓位置點)的判斷錯誤可導致控制系統(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%，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導致控制設備誤動作，進而造成生產或運行中斷，導致較大的生產責任事故。
當無功補償電容器組投入時，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，嚴重影響其使用壽命，另一方面當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，引起諧波電流嚴重放大（2-10倍）使電容器過熱而損壞，同時，諧波使工頻正弦波形發(fā)生畸變，產生鋸齒狀尖頂波，易在絕緣介質中引發(fā)局部放電，長時間的局部放電也會加速絕緣介質的老化，而容易導致電容器損壞。因此，電容無功補償柜不能應用于中頻爐的補償，應選用具有抑制諧波功能的濾波無功補償裝置。
濾波無功補償治理方案
治理目標
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濾波補償裝置設計滿足國標GB/T 14549-93標準及無功功率的管理規(guī)定。
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在0.4KV系統(tǒng)運行方式下，濾波補償設備投運后，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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不因為投入濾波補償支路而引起諧波的諧振或諧振過電壓、過電流。
設計遵循標準
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電能質量 公用電網諧波 GB/T14519-1993
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電能質量 電壓波動和閃變 GB12326-2000
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低壓無功功率補償裝置總技術條件 GB/T 15576-1995
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低壓無功就地補償裝置 JB/T 7115-1993
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無功補償技術條件；JB/T9663-1999《低壓無功功率自動補償控制器》
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低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值 GB/T 17625.7-1998
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電工術語 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
設計思路
根據企業(yè)實際情況，我公司針對中頻爐濾波無功補償設計了整套方案，綜合考慮負荷功率因數(shù)、諧波治理，在企業(yè)變壓器0.4KV低壓側安裝一套濾波無功補償裝置對諧波進行濾除，補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生6K+1次諧波，采用傅立葉級數(shù)對電流進行分解變換，即特征諧波產生5次250HZ、7次350HZ、11次550HZ高次諧波。故在設計中頻爐濾波無功補償時要針對250HZ、350HZ及550HZ頻率設計，保證濾波補償支路在有效濾除諧波的同時補償無功功率，提高功率因數(shù)，使系統(tǒng)諧波符合國標GB/T 14549-93標準。
設計分配
1000KVA變壓器對應的中頻爐綜合功率因數(shù)從0.91補償?shù)?.97以上,有效濾除5次、7次、11次及以上高次諧波，濾波補償裝置需要安裝容量為620KVar，分3組容量進行自動投切，對應中頻爐整流電源進行濾波補償，滿足中頻爐諧波濾除及無功補償?shù)脑O計要求。
800KVA變壓器對應的中頻爐綜合功率因數(shù)從0.93補償?shù)?.97以上,有效濾除5次、7次、11次及以上高次諧波，濾波補償裝置需要安裝容量為520KVar，分3組容量進行自動投切，對應中頻爐整流電源進行濾波補償，分為5次、7次、11次自動進行投切，滿足中頻爐諧波濾除及無功補償?shù)脑O計要求。
500KVA變壓器對應的數(shù)控機床及其他負載綜合功率因數(shù)從0.82補償?shù)?.97以上,抑制5次及以上諧波,濾波補償裝置需要安裝容量為256KVar，分4組容量進行自動投切，分級調節(jié)容量為22KVAR，能夠適應負載的各種功率要求。
以上設計充分保證了諧波治理符合國標GB/T 14549-93標準，調節(jié)中頻爐功率因數(shù)在0.97以上。
如下圖：
安裝濾波補償后效應分析
2010年6月中頻爐、變頻器濾波無功補償裝置安裝投運，裝置自動跟蹤中頻爐、變頻器負荷變化情況，事實
消除高次諧波補償無功功率，提高功率因數(shù)。情況如下：
諧波頻譜分布圖
濾波補償前（電流） 濾波補償后（電流）
濾波補償前（電壓） 濾波補償后（電壓）
負載波形圖
濾波補償前（電流） 濾波補償后（電流）
濾波補償前（電壓） 濾波補償后（電壓）
功率因數(shù)曲線圖
濾波補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償裝置時功率因數(shù)只有0.8左右）
負載運行情況
1000KVA變壓器對應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變壓器對應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變壓器對應的綜合功率因數(shù)0.97以上,有效抑制了諧波補償了無功功率，變壓器使用電流從778A降為650A，降幅為16.5%。
補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)省電費開支9*8*30*12*0.7=18144元（按每天工作8小時，每月30天，全年12個月，每度電0.7元錢）；由于諧波降低節(jié)約的電費： 諧波電流對變壓器產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,工程上一般取2%~5%,對于整流負荷,取3%,即:
WS=2000*3600*0.7*0.03≈15萬元，即全年節(jié)約電費15+1.8=16.8（萬元）。
功率因數(shù)情況
企業(yè)當月綜合功率因數(shù)達到0.95，月無功利率調整電費由罰款變?yōu)楠剟?680元，且以后每月功率因數(shù)都保持在0.97-0.98，每月都獎勵3000-4000元不等。
結論
綜上所述中頻爐濾波無功補償裝置具有很好的濾除諧波和補償無功的能力，解決了企業(yè)長時間承受利率電費罰款的難題，增強了變壓器的輸出能力，為企業(yè)帶來了顯著的經濟效益，用戶投資不到一年就收回了投資。因此企業(yè)對我公司生產的中頻爐濾波無功補償非常滿意，并在以后給介紹了不少客戶。
