淺析有源濾波裝置在水處理行業(yè)配電系統中的應用-安科瑞 蔣靜

摘要：在水處理行業(yè)供配電系統中，涉及曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設備等負荷設備，導致異步電動(dòng)機產(chǎn)生較多無(wú)功功率和大量的諧波，使系統功率因數下降，以及諧波對配電系統、負載產(chǎn)生較大的危害。就此，水處理行業(yè)需提高對電能質(zhì)量的重視，通過(guò)有源濾波裝置治理，濾除諧波，從而節能降耗。

關(guān)鍵詞：水處理行業(yè)供配電系統；諧波；電能質(zhì)量

1、水處理行業(yè)電能質(zhì)量主要特征：

1.1水處理行業(yè)發(fā)展平穩，廠(chǎng)房建設逐年穩步增加；

1.2電機、水泵等負載長(cháng)期工作，功率因數較高，無(wú)功補償較為穩定；

1.3主要諧波源為變頻器，且諧波含量較大，需要配置有源濾波設備進(jìn)行諧波治理。

2、水處理行業(yè)主要設備

水處理行業(yè)污水處理廠(chǎng)的主要大功率設備包括曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設備以及干化成套設備等，還有大型空調系統、變頻器、通風(fēng)設備。這些設備的變頻機構、控制部件都是典型的非線(xiàn)性負載，產(chǎn)生的諧波流入配電系統，污染電網(wǎng)，不僅會(huì )對無(wú)功功率補償設備造成潛在影響還會(huì )影響各類(lèi)電氣設備正常運行，降低系統效率，增加電力成本。

2.1曝氣風(fēng)機

污水處理曝氣風(fēng)機的主要作用是為水池提供氧氣，主要用于的地方是沉砂池，曝氣風(fēng)機連接到管道，然后管道連接至曝氣池底部的曝氣盤(pán)，曝氣風(fēng)機將氣體鼓入曝氣池中，為微生物的活動(dòng)，提供充足的氧氣，促進(jìn)化學(xué)反應的進(jìn)行。曝氣風(fēng)機開(kāi)啟時(shí)，功率因數為0.8，總諧波畸變率將近30%。

2.2提升泵

提升泵是一種集泵、電機、殼體、控制系統于一體的泵類(lèi)產(chǎn)品，主要作用是污水提升到某一高度后使其按重力流方法運行，可以控制水量，從而控制反應池內污水濃度，提升泵功率因數0.75，諧波畸變率將近30％~40％。

2.3污泥脫水

脫水的方法，主要有自然干化法、機械脫水法和造粒法。自然干化法和機械脫水法適用于污水污泥。造粒法適用于混凝沉淀的污泥。污泥脫水設備主要產(chǎn)生5、7次諧波，污泥脫水設備功率因數0.8，諧波畸變率將近20％。

2.4變頻器

變頻器的主要作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動(dòng)磁場(chǎng)的周期，達到平滑控制電動(dòng)機轉速的目的，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，至大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長(cháng)了設備和閥門(mén)的使用壽命。大容量變頻器的使用需搭配進(jìn)線(xiàn)電抗器使用，有效防止功率元件的擾動(dòng)和沖擊，防止與有源濾波器沖突從而放大諧波，變頻器功率因數0.9，總諧波畸變率將近30％~50％。

3、水處理行業(yè)電能質(zhì)量案例及解決方案

3.1事故現象

湖南某污水處理廠(chǎng)一臺2000kVA的變壓器，變壓器低壓側兩臺電容補償柜，補償容量為1000kVar，柜內為接觸器投切，且均為自動(dòng)投切。在污水處理廠(chǎng)調試運行過(guò)程中，運行值班人員在巡檢時(shí)發(fā)現低壓配電室的電容補償柜內有一組電容器和電抗器燒毀，其他未受損且投入運行的電容器和電抗器經(jīng)現場(chǎng)檢測發(fā)現溫度均在80～100℃，同時(shí)變壓器的噪聲和溫度明顯增加。

3.2電容柜損壞原因分析

1、電容電抗等元器件本身的品質(zhì)問(wèn)題。電容內部采用較差的黑膠填充，過(guò)熱易膨脹鼓包；外部材質(zhì)采用鐵制外殼，在沿海城市或鹽霧濃霧高的場(chǎng)所；電抗器采用鋁芯，接口氧化高溫易爆；

2、現場(chǎng)施工安裝時(shí)，電氣連接件的緊固問(wèn)題。接口處若有松動(dòng)，連接點(diǎn)局部發(fā)熱；

3、電容電抗的參數匹配問(wèn)題。串抗率不匹配，如選用480V配套7%電抗率的電容器和525V的14%電抗率電抗器，那么電容電抗不匹配會(huì )導致發(fā)生諧振；

4、環(huán)境因數。隨著(zhù)現場(chǎng)環(huán)境溫度、濕度的變化，電容電抗參數變化，導致串抗率偏移的問(wèn)題，電容電抗之間會(huì )產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電流變大、發(fā)熱嚴重；

5、諧波電壓觸發(fā)的電容柜和負載之間的并聯(lián)諧振問(wèn)題，導致母線(xiàn)電壓抬升，出現電容損壞或者負載設備過(guò)壓保護或損壞的現象。

3.3解決方案

測試點(diǎn)為變壓器總出線(xiàn)端，根據該污水處理廠(chǎng)電能質(zhì)量的實(shí)測結果，變壓器總出線(xiàn)端含有5次、7次、11次、13次諧波，總諧波電流達到200A，諧波畸變率達到27.6%?，F場(chǎng)檢查電容電抗等器件，狀況良好，電抗率匹配，原因分析是由于諧波電流過(guò)大引起的線(xiàn)路及設備起火。最終在我公司的建議下，在變壓器的出線(xiàn)側，安裝了1臺300A有源濾波器，

目前現場(chǎng)諧波畸變率穩定在10%以下，電容柜長(cháng)期穩定運行。

APF有源濾波器采用DSP+FPGA全數字控制方式，并聯(lián)在系統中，兼補諧波和無(wú)功；可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；具備完善的橋臂過(guò)流、直流過(guò)壓保護、裝置過(guò)溫保護功能；具備自動(dòng)檢測運行、測量監視和定值設定功能；具備智能散熱和無(wú)極調速的功能；具備動(dòng)態(tài)擴容功能，支持插拔，方便更換。

4、結論

水處理行業(yè)中的設備普遍采用變頻器、電機、水泵，使非線(xiàn)性設備負荷的種類(lèi)和數量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和現場(chǎng)設備帶來(lái)巨大危害。但水處理行業(yè)供配電系統諧波問(wèn)題一直沒(méi)得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當巨大。有源濾波裝置對改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。