濾波補償裝置在預應力鋼棒熱處理生產線的應用

用戶情況概述

      天津某金屬制品公司鋼棒生產線采用中頻加熱系統產生大量的諧波，使無功補償電容器無法正常投入運行，整體功率因數在0.75左右，年無功利率電費在26.3萬，生產線電氣設備受諧波影響故障率高，變壓器噪音及溫度高，夏季溫度達70度。

一、預應力鋼棒概述

高強度預應力鋼棒熱處理生產線，又稱管樁鋼絲（PC鋼棒）熱處理生產線。它是由放線裝置、矯直裝置、牽引裝置、淬火裝置、回火裝置、剪切裝置、收線裝置等組成的機械系統，及由多臺工作在不同頻率的大功率感應加熱電源裝置、自動控制和配電操作裝置等共同組合的機電一體化感應熱加工成套設備；主要應用于冶金建材、金屬制品等行業；是管樁鋼絲、鐵路軌枕鋼絲、及多種線纜材料感應熱處理加工的成套生產設備。

      預應力鋼棒熱處理生產線中頻電源以0.4kV電壓供電，其主要負荷為6脈動整流，整流設備在工作中在把交流變為直流的同時產生大量的諧波，同時消耗大量的無功功率。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。

1） 中頻電源的整流裝置為6脈動可控整流；

2） 整流裝置所產生的諧波為6K+1次奇次諧波，采用傅立葉級數對電流進行分解變換，可知電流波形含有6K±1次高次諧波，根據對中頻爐的測試數據，其諧波電流含有量見下表：

6脈動橋式換流器諧波電流含有量：（In/I1）

諧波次數

5

7

11

13

17

19

23

25

諧波含量

0.2

0.11

0.06

0.04

0.02

0.007

0.007

0.006

二、供電系統及數據

公司由一路10KV進線，廠內安裝800KVA整流變壓器2臺，500KVA整流變壓器3臺，均為10KV/0.4KV。5臺整流變壓器分別帶3條預應力鋼棒熱處理生產線，如下圖：

三、濾波補償裝置設計依據

1、根據電能質量　　公用電網諧波　　　　GB/T14519-1993

2、根據電能質量　　電壓波動和閃變　　　GB12326-2000

3、根據供電系統阻抗和相關參數

4、根據現場測量結果及仿真計算

四、治理方案

1、 治理目標

      根據企業實際情況，我公司針對鋼棒生產線諧波治理設計了整套濾波方案，綜合考慮負荷功率因數、諧波吸收需要和背景諧波，在企業每臺變壓器 0.4KV低壓側各安裝一套諧波濾波裝置對諧波進行治理。

濾波裝置諧波電流的設計滿足國標GB/T14549-93《電能質量　公用電網諧波》的管理規定。

l 在0.4KV系統運行方式下，濾波設備投運后，濾波器吸收點處某次諧波的幅值及含有量都有大幅度下降，功率因數0.95以上。

l 不因為投入濾波裝置而引起某次諧波的諧振或諧振過電壓、過電流。

2、方案確定

由于鋼棒生產線中頻加熱在工作過程中諧波較大，諧波在整個供電系統中環流，對電氣設備、電網本身都造成了不同程度的影響。另外，考慮設備的功率因數特點，在設計時要做到諧波消除補償無功提高功率因數等。

針對設備的特性本方案采用濾波兼無功補償的方式，它的主要作用：改善供電系統的穩定性；抑制諧波電流以減少諧波造成的危害。

鋼棒生產線工作過程負荷相對比較穩定，諧波含量大，功率因數低。從測試數據看主要諧波成分是5次 、7次、11次、13次其中以5次諧波為最大，電壓畸變嚴重。綜上因素考慮濾波裝置設計5次、7次、11次三條LC濾波支路，吸收5、7、11次及以上次數的諧波。方案采用仿真法對各回路投入時是否產生非特征頻率的諧振進行分析，并最終確定回路的參數。

3、技術特點

l 針對用戶系統諧波無功專門設計制造，消除特性諧波補償無功功率，濾波效果明顯。

l 對于5、7、11次諧波電流吸收率達到85%以上，諧波滿足  GB/T14549-93要求。 

l 根據諧波源的特性設定濾波器的投切方式和控制策略。

l 檢測系統情況，按照負荷的無功電流、諧波電流進行實現跟蹤。 
使受電功率因數提高到0.95以上，降低配電網的線損、增加配電變壓器的承載效率。

l 補償過程中電網電壓波動滿足國家標準GB/12326-90要求，即：滿負荷到輕負荷補償變化引起的一次側電壓波動≤2.5%。

l 裝置保護措施：過電壓保護、過電流保護、欠電壓保護、接地保護、 過熱保護。

l 系統不產生無線電（射頻）電磁干擾。

l 運行方式：全自動，連續工作。

l 供電系統及濾波原理圖：



五、治理效果

六、結論

1、濾波補償裝置投入運行，自動跟蹤鋼棒生產線的負載設備變化，使各次諧波得到有效濾除。

2、未治理前電壓總畸變率(THD)嚴重超出國標5%的限值要求。經治理， 電壓總畸變率(THD)從原來的9.6%，降止2.8%，各次諧波都符合國標GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》標準要求。

3、經治理諧波電流都得到有效改善，未投入5、7、11次的諧波電流都超標，投入后超標的各次諧波電流吸收率都大于80%以上，符合設備設計要求。如5次諧波電流從184A，降止22A左右 7次諧波電流從102A，降止11A左右， 11次諧波電流從40A，降止6A左右，注入公共點的各次諧波電流均符合國標GB/T 14549-93《電能質量 公用電網諧波》要求。

4、濾波