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中频电炉谐波治理

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应用案例

用户基本情况

河北某汽车配件铸造企业主要生产汽车轮毂产品，企业生产设备有1吨中频炉一套，使用1000KVA（10KV/0.4KV）专业变压器供电,0.75吨中频炉一套，使用800KVA（10KV/0.4KV）专业变压器供电，机加工及办公楼用电使用500KVA（10KV/0.4KV）变压器供电，配备电容补偿柜1台容量为300KVAR。供电系统图如下：

实际运行数据

1000KVA变压器所带中频炉最大功率1100KVA，平均功率因数为PF=0.91，工作电流1588A，800KVA变压器所带中频炉最大功率900KVA，平均功率因数为PF=0.93，工作电流1300A。当中频炉使用时500KVA变压器下的数控机床出现控制异常，设定数据实际偏差及过压保护等问题，无功补偿柜不能正常工作，控制器不能自动控制，手

动投入补偿后出现补偿回路断路器跳闸及炸裂情况，电容器漏油鼓肚经常损坏，使功率因数只有0.82，每月都有3000左右的无功罚款，中频炉不工作时数控机床及无功补偿柜都能正常工作。

电力系统情况分析

中频电炉整流电源主要负荷为6脉动整流，整流设备在工作中在把交流变为直流的同时产生大量的谐波，属典型谐波源；谐波电流注入电网，在电网阻抗上产生谐波电压，引起电网电压电流畸变，影响供电质量及运行安全，使线路损耗及电压偏移增加，对电网和工厂本身电气设备均会产生不良的影响。

数控机床设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。可编过程控制器(PLC)，通常要求总谐波电压畸变率(THD)小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的生产责任事故。
当无功补偿电容器组投入时，由于电容器组的谐波阻抗小，大量的谐波注入电容器组，使电容器电流迅速增大，严重影响其使用寿命，另一方面当电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相等而发生谐振时，引起谐波电流严重放大（2-10倍）使电容器过热而损坏，同时，谐波使工频正弦波形发生畸变，产生锯齿状尖顶波，易在绝缘介质中引发局部放电，长时间的局部放电也会加速绝缘介质的老化，而容易导致电容器损坏。因此，电容无功补偿柜不能应用于中频炉的补偿，应选用具有抑制谐波功能的滤波无功补偿装置。

滤波无功补偿治理方案

治理目标

滤波补偿装置设计满足国标GB/T 14549-93标准及无功功率的管理规定。
在0.4KV系统运行方式下，滤波补偿设备投运后，中频炉、变频器特征谐波得到有效滤除，谐波滤除率在70%以上，月平均功率因数0.95以上。
不因为投入滤波补偿支路而引起谐波的谐振或谐振过电压、过电流。

设计遵循标准

电能质量　　公用电网谐波　　　　GB/T14519-1993
电能质量　　电压波动和闪变　　　GB12326-2000
低压无功功率补偿装置总技术条件　GB/T　15576-1995
低压无功就地补偿装置　　　　　 JB/T　7115-1993
无功补偿技术条件；JB/T9663-1999《低压无功功率自动补偿控制器》
低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 GB/T 17625.7-1998
电工术语　电力电容器　　GB/T　2900.16-1996
低压并联电容器　　　　　GB/T　3983.1-1989
电抗器　　　　　　GB10229-88
电抗器　　　　　　　　IEC　289-88

设计思路

根据企业实际情况，我公司针对中频炉滤波无功补偿设计了整套方案，综合考虑负荷功率因数、谐波治理，在企业变压器0.4KV低压侧安装一套滤波无功补偿装置对谐波进行滤除，补偿无功功率提高功率因数。

中频炉工作过程中整流装置产生6K+1次谐波，采用傅立叶级数对电流进行分解变换，即特征谐波产生5次250HZ、7次350HZ、11次550HZ高次谐波。故在设计中频炉滤波无功补偿时要针对250HZ、350HZ及550HZ频率设计，保证滤波补偿支路在有效滤除谐波的同时补偿无功功率，提高功率因数，使系统谐波符合国标GB/T 14549-93标准。

设计分配

1000KVA变压器对应的中频炉综合功率因数从0.91补偿到0.97以上,有效滤除5次、7次、11次及以上高次谐波，滤波补偿装置需要安装容量为620KVar，分3组容量进行自动投切，对应中频炉整流电源进行滤波补偿，满足中频炉谐波滤除及无功补偿的设计要求。
800KVA变压器对应的中频炉综合功率因数从0.93补偿到0.97以上,有效滤除5次、7次、11次及以上高次谐波，滤波补偿装置需要安装容量为520KVar，分3组容量进行自动投切，对应中频炉整流电源进行滤波补偿，分为5次、7次、11次自动进行投切，满足中频炉谐波滤除及无功补偿的设计要求。
500KVA变压器对应的数控机床及其他负载综合功率因数从0.82补偿到0.97以上,抑制5次及以上谐波,滤波补偿装置需要安装容量为256KVar，分4组容量进行自动投切，分级调节容量为22KVAR，能够适应负载的各种功率要求。
以上设计充分保证了谐波治理符合国标GB/T 14549-93标准，调节中频炉功率因数在0.97以上。
如下图：

安装滤波补偿后效应分析

2010年6月中频炉、变频器滤波无功补偿装置安装投运，装置自动跟踪中频炉、变频器负荷变化情况，事实

消除高次谐波补偿无功功率，提高功率因数。情况如下：

谐波频谱分布图

滤波补偿前（电流）滤波补偿后（电流）

滤波补偿前（电压）滤波补偿后（电压）

负载波形图

滤波补偿前（电流）滤波补偿后（电流）

滤波补偿前（电压）滤波补偿后（电压）

功率因数曲线图

滤波补偿装置投入后功率因数0.97左右（凸起部分为切除滤波补偿装置时功率因数只有0.8左右）

负载运行情况

1000KVA变压器对应的中频炉综合功率因数0.97以上,5次谐波自330A降到66A,7次谐波自170A降到36A，11次谐波自120A降到22A,变压器使用电流从1530A降为1210A，降幅为21%。

800KVA变压器对应的中频炉综合功率因数0.97以上,5次谐波自264A降到39A,7次谐波自135A降到24A，11次谐波自102A降到18A,变压器使用电流从1140A降为920A，降幅为19.3%。
500KVA变压器对应的综合功率因数0.97以上,有效抑制了谐波补偿了无功功率，变压器使用电流从778A降为650A，降幅为16.5%。
补偿后功率损耗减少值为WT=△Pd*(S1/S2)2*τ*[1-(cosφ1/cosφ2)2]=24×{(0.91×2000)/2000}2×0.4≈9(kw·h)式中Pd为变压器短路损耗,为24KW,年节省电费开支9*8*30*12*0.7=18144元（按每天工作8小时，每月30天，全年12个月，每度电0.7元钱）；由于谐波降低节约的电费：谐波电流对变压器产生的损耗主要为增加铁磁损耗和铜损,铁磁损耗与谐波电流频率的三次方有关,工程上一般取2%~5%,对于整流负荷,取3%,即:
WS=2000*3600*0.7*0.03≈15万元，即全年节约电费15+1.8=16.8（万元）。

功率因数情况

企业当月综合功率因数达到0.95，月无功利率调整电费由罚款变为奖励4680元，且以后每月功率因数都保持在0.97-0.98，每月都奖励3000-4000元不等。

结论

综上所述中频炉滤波无功补偿装置具有很好的滤除谐波和补偿无功的能力，解决了企业长时间承受利率电费罚款的难题，增强了变压器的输出能力，为企业带来了显著的经济效益，用户投资不到一年就收回了投资。因此企业对我公司生产的中频炉滤波无功补偿非常满意，并在以后给介绍了不少客户。