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安科瑞 繆凱倫
摘要:在水務(wù)行業(yè)供配電系統(tǒng)中,涉及曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設(shè)備等感性負(fù)荷設(shè)備,導(dǎo)致異步電動機產(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)人員會配置無功補償裝置,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、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)備的變頻機構(gòu)、控制部件都是典型的非線性負(fù)載,會產(chǎn)生20%-50%的諧波流入配電系統(tǒng),污染電網(wǎng),不僅會對無功功率補償設(shè)備造成潛在影響還會影響各類電氣設(shè)備正常運行,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
諧波會增加變壓器的銅耗、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,同時使變壓器噪聲變大,減少變壓器的實際使用容量,降低變壓器的使用壽命。
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,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被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍,最終導(dǎo)致電壓會大大高于電容器的額定電壓值,使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲熔斷。
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;
水處理行業(yè)主要以污水處理廠為主,隨著城市的發(fā)展,各個城市對水處理也逐漸重視起來,對于老廠會進(jìn)行設(shè)備更新,發(fā)展較快的會擴廠增加設(shè)備。水處理廠配備大量抽送水泵,過濾設(shè)備,自動處理設(shè)備,這些設(shè)備共同的特點是:設(shè)備運行會產(chǎn)生大量的諧波;對電源質(zhì)量要求很高。在設(shè)備運行過程中如果存在大量的諧波,會使電壓、電流波形發(fā)生畸變,影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。同時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)造價值。
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)備運維等功能,亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺,為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù);
l 符合GB/T17626.30-2012中A 級準(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)量實時在線監(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)一平臺管理,方便用戶同時監(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)動器件,通過更多的電平輸出更高品質(zhì)的治理波形。
針對水務(wù)行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的曝氣風(fēng)機、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,同時也可對整個低壓供配電系統(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。
表1電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表
曝氣風(fēng)機、水泵等末端設(shè)備,運行過程中不可避免的對整個供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染,電流畸變率一般會達(dá)到30%~50%。同時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配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。
表2就地治理的產(chǎn)品選型見表2
(1)平臺拓?fù)?/span>
電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)平臺主要由電能質(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)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補償?shù)?,物理網(wǎng)關(guān)實現(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,為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)。
湖南某污水處理廠一臺2000kva的變壓器,變壓器低壓側(cè)兩臺電容補償柜,補償容量為1000 kvar,柜內(nèi)為接觸器投切,且均為自動投切。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際運行情況,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構(gòu)對事故發(fā)生點進(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A為3臺152 kW的臭氧設(shè)備的電源進(jìn)線端,2用1備。在污水處理廠運行期間,臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時,電流存在斷續(xù)工作的情況,諧波電流波動范圍值為33??? 284 A(圖1),數(shù)值波動很大,且變化周期短。在有電流工作狀態(tài)時,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,產(chǎn)生的諧波電流就會非常大。
(2)測試點B為4臺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)生的諧波會直接影響整個供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,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,對電網(wǎng)的沖擊就會更大。
(3)測試點C為變壓器二次側(cè)總出線端。受測試點A和B的諧波疊加影響,事故發(fā)生時,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點波形圖及各次諧波電流
原先電容柜替換為SVG靜止無功發(fā)生器,防止無功補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,減少客戶電費支出。
根據(jù)該污水處理廠電能質(zhì)量的實測結(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300A有源濾波器。
水務(wù)行業(yè)中的設(shè)備普遍采用變頻器、電機、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)濟運行,保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。