冶煉企業(yè)使用中頻爐的危害性及其諧波治理方法

廠家：冶煉企業(yè)使用中頻爐的危害性及其諧波治理方法日期：：2020-01-18 瀏覽次數(shù)： 108

面對(duì)欽 li市配電網(wǎng)諧波治理的嚴(yán)峻形勢(shì) ，本文介紹了一種針對(duì)冶金類用戶諧波治理的方法，該方法在用戶系統(tǒng)低 f-,．4~0采用動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，該系統(tǒng)能在極短的時(shí)間之內(nèi)完成從額定容性無功到額定感性無功的相互轉(zhuǎn)換，以此來滿足對(duì) 沖擊性負(fù)荷的補(bǔ)償，進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)對(duì)此類用戶中頻爐諧波的有效治理. 同樣的中頻爐的諧波治理也很重要。

目前，欽州市的大規(guī)模企業(yè)大部分為冶煉企業(yè)和使用大電機(jī)的能耗型企業(yè)，這些企業(yè)廣泛地使用非線性負(fù)荷，用電負(fù) 荷占?xì)J州網(wǎng) 區(qū)負(fù)荷的比重又很大，給欽州市配電網(wǎng)帶來了嚴(yán) 重的電力污染，而且各類非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波還呈日益增多的態(tài)勢(shì)，使變電和用電設(shè)備的效率降低，加速電氣設(shè)備絕緣老化，造成設(shè)備絕緣擊穿，嚴(yán)重地威脅著欽州市電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此諧波治理已成為欽州供電局及其相關(guān)技術(shù) 人員迫切需要解決的重要課題之一。

在電力系統(tǒng)中，當(dāng)工頻電壓或電流作用于非線性負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同于工頻的非正弦電壓或電流，在對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解時(shí) ，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn／f1)稱為諧波次數(shù)。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”，其頻率范圍一般為 2≤n≤40。

諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器會(huì) 引起附加損耗和發(fā)熱增加，此外還會(huì)引起旋轉(zhuǎn)設(shè)備和變壓器振動(dòng)并發(fā) 出噪聲，長時(shí)間的振動(dòng) 會(huì)造成金屬疲勞和機(jī) 械損壞。

諧波注入電網(wǎng)后，在電網(wǎng)中以 2≤n≤40次諧波在電網(wǎng)中傳輸，和基波電流疊加后形成大于正常電流的混雜電流，加大輸電線路的損耗，降低供電部門的供電效益，造成能源浪費(fèi)。

諧波可引起系統(tǒng)的電感、電容發(fā)生諧振，使諧波放大，當(dāng)諧波引起系統(tǒng)諧振時(shí)，諧波電壓升高，諧波電流增大，引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)，損壞系統(tǒng)設(shè)備(如電力電容器、電纜、電動(dòng) 機(jī)等1，引發(fā)系統(tǒng)事故威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

諧波可干擾通信設(shè)備，造成重要的敏感的自動(dòng)控制與保護(hù) 裝置工作紊亂，還會(huì) 影響無線電發(fā)射系統(tǒng) 、雷達(dá) 系統(tǒng) 、核磁共振等設(shè)備的工作性能，造成噪聲干擾和圖像紊亂。

目前治理諧波的方法主要有兩種，即有源濾波和無源濾波，其中無源濾波主要通過增加無源濾波設(shè)備，使諧波流入無源濾波設(shè)備而不注入電網(wǎng) ，另外有源濾波就是采用有源濾波設(shè)備，產(chǎn)生和現(xiàn)存諧波相反的諧波，使之互相抵消，本文介紹的內(nèi)容為無緣濾波的方法。

冶金類用戶多采用中頻爐進(jìn)行冶煉，中頻爐是一種將工頻 50HZ交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l (300HZ以上至 1000HZ)的電源裝置，把三相工頻交流電整流后變成直流電，再把直流電變?yōu)榭?調(diào) 節(jié)的中頻電流，供給由電容和感應(yīng)線圈里流過的中頻交變電流，在感應(yīng) 圈中產(chǎn)生高密度的磁力線，并切割感應(yīng)圈里盛放的金屬材料，在金屬材料中產(chǎn)生很大的渦流，以達(dá)到熔煉材料的效果。由于中頻爐在使用中產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致電網(wǎng) 中的諧波污染非常嚴(yán)重，因此針對(duì)中頻爐的諧波治理就顯得尤為重要，要治理這種大諧波源主要通過以下步驟進(jìn)行：

中頻爐的整流裝置多為6脈動(dòng)可控整流，整流裝置所產(chǎn) 生的諧波為 6K+1次奇次諧波，采用傅立葉級(jí)數(shù)對(duì) 電流進(jìn)行分解變換，可知電流波形含有 6K±1次高次諧波，在實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要進(jìn)行理論計(jì)算，還需對(duì) 中頻爐進(jìn)行測(cè)試，以最終確定治理方案。 3．1．1 諧波電流理論計(jì)算目前使用的中頻爐一般為全控橋整流方式，對(duì)于全控可控硅整流器產(chǎn)生的特征諧波電流的諧波次數(shù)一般含有： fh=(pm ±1)f． (1) 各次諧波有效值為 I= I (2) fl 式中，h為特征諧波次數(shù) h=pm±1,fh和 I為第 h次諧波電流的頻率和有效值，￡和 I為基波電流頻率和有效值，P為整流器脈動(dòng)數(shù) ，p=6或 12、或 24。m為正整數(shù) 。本中頻爐為 3相全控橋整流方式，p=6，對(duì) 于 p=6的整流器，特征諧波次數(shù) h=5、7、11、13、17、19…… 對(duì)于諧波為 I=(Kl1，h)·I1，h為諧波次數(shù) ，K 為諧波有效值減小系數(shù)，其經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1所示

國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T14549—93中推薦，兩個(gè)諧波源的同次諧波電流在同一地點(diǎn) 的同一相上疊加，當(dāng)相位不確定時(shí)可按下式進(jìn)行計(jì)算：Ih=、／Ih1+I}l22+Kh1IhlI}l2 式中 Kh系數(shù)按表 2選取。I 和 I分別為諧波源 1和 2的第 h次諧波電流，單位為 A。

兩個(gè)以上同次諧波電流疊加時(shí) ，首先將兩個(gè)諧波電流疊加，然后與第三個(gè)諧波電流相疊加，以此類推。 3．1．2 濾波特性理論計(jì)算濾波器的總阻抗計(jì)算方法如下： z、／R02+(H。‘(tJ’L一式中： zfI．一濾波器對(duì)應(yīng)于濾波通道次數(shù)為 h。的頻率下的總阻抗 Q； R廠一濾波器回路的總直流電阻 Q； I一電感值 H； c—— 電容值 F； h一濾波通道次數(shù) ；選擇合適的 Rc值可滿足所要求的濾波效果。 3．1_3 測(cè)量信號(hào)的抽取

首先將變壓器低壓側(cè)測(cè)量電流互感器的二次回路試驗(yàn)端子接入電能質(zhì)量分析儀的電流輸入端，既完成測(cè)量信號(hào)的接人，再對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行設(shè)置：用 DZ一4電能質(zhì)量分析儀測(cè)量，將儀器設(shè)置為自動(dòng)定時(shí)測(cè)量方式，每?jī)纱螠y(cè)量間隔為一分鐘，設(shè)置諧波次數(shù) 為第 2～25次，進(jìn)行一爐煉鋼周期的連續(xù)諧波測(cè)量。

測(cè)量完畢后利用儀器的后臺(tái)分析功能，對(duì)定時(shí)測(cè)量的存盤數(shù)據(jù)文件作統(tǒng)計(jì)分析，得到各次諧波的 95％概率值、最大值、最小值和平均值，并以最大相的 95％概率值作為最終測(cè)量結(jié)果，與國標(biāo) 的限值或允許值比較來確定諧波電流是否超標(biāo) 。

中頻爐的工作過程可分為初加熱過程和正常工作過程，初加熱過程持續(xù)時(shí)問短，但高次諧波比較豐富，而在整個(gè)過程中正常工作占大部分時(shí)間，其中正常工作過程時(shí)電流大，諧波含量大，主要包含的諧波成分是 5次、7次、11次、13次，其中一般以 5次諧波為最大，電壓畸變嚴(yán)重，因此，綜上因素考慮濾波裝置設(shè) 計(jì) 5次、7次、11次三條 Lc濾波支路，吸收 5、7、 11次及以上次數(shù)的諧波。

根據(jù)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果，可確定在配電變壓器低壓側(cè) 的無功補(bǔ)償容量。

欽州市某冶金設(shè) 備有限公司使用一臺(tái) 1．5T的中頻爐，采用 3相全控橋整流方式，根據(jù)理論計(jì)算并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，i亥用戶諧波電壓、電流嚴(yán)重超標(biāo)．主要是 5次、7次、11，13次諧波為主導(dǎo) ，功率因素僅為 0．78，功率因數(shù)嚴(yán)重偏低，采用本文介紹的方法增加無功補(bǔ)償設(shè)備后，功率因素提高至 0．93，取得了良好的效果。

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