滤波补偿装置在预应力钢棒热处理生产线的应用
用户情况概述
天津某金属制品公司钢棒生产线采用中频加热系统产生大量的谐波，使无功补偿电容器无法正常投入运行，整体功率因数在0.75左右，年无功利率电费在26.3万，生产线电气设备受谐波影响故障率高，变压器噪音及温度高，夏季温度达70度。
一、预应力钢棒概述
高强度预应力钢棒热处理生产线，又称管桩钢丝（PC钢棒）热处理生产线。它是由放线装置、矫直装置、牵引装置、淬火装置、回火装置、剪切装置、收线装置等组成的机械系统，及由多台工作在不同频率的大功率感应加热电源装置、自动控制和配电操作装置等共同组合的机电一体化感应热加工成套设备；主要应用于冶金建材、金属制品等行业；是管桩钢丝、铁路轨枕钢丝、及多种线缆材料感应热处理加工的成套生产设备。
预应力钢棒热处理生产线中频电源以0.4kV电压供电，其主要负荷为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，同时消耗大量的无功功率。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。
1） 中频电源的整流装置为6脉动可控整流；
2） 整流装置所产生的谐波为6K+1次奇次谐波，采用傅立叶级数对电流进行分解变换，可知电流波形含有6K±1次高次谐波，根据对中频炉的测试数据，其谐波电流含有量见下表：
6脉动桥式换流器谐波电流含有量：（In/I1）
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谐波次数
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5
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7
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11
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13
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17
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19
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23
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25
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谐波含量
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0.2
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0.11
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0.06
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0.04
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0.02
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0.007
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0.007
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0.006
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二、供电系统及数据
公司由一路10KV进线，厂内安装800KVA整流变压器2台，500KVA整流变压器3台，均为10KV/0.4KV。5台整流变压器分别带3条预应力钢棒热处理生产线，如下图：
三、滤波补偿装置设计依据
1、根据电能质量 公用电网谐波 GB/T14519-1993
2、根据电能质量 电压波动和闪变 GB12326-2000
3、根据供电系统阻抗和相关参数
4、根据现场测量结果及仿真计算
四、治理方案
1、 治理目标
根据企业实际情况，我公司针对钢棒生产线谐波治理设计了整套滤波方案，综合考虑负荷功率因数、谐波吸收需要和背景谐波，在企业每台变压器 0.4KV低压侧各安装一套谐波滤波装置对谐波进行治理。
滤波装置谐波电流的设计满足国标GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》的管理规定。
l 在0.4KV系统运行方式下，滤波设备投运后，滤波器吸收点处某次谐波的幅值及含有量都有大幅度下降，功率因数0.95以上。
l 不因为投入滤波装置而引起某次谐波的谐振或谐振过电压、过电流。
2、方案确定
由于钢棒生产线中频加热在工作过程中谐波较大，谐波在整个供电系统中环流，对电气设备、电网本身都造成了不同程度的影响。另外，考虑设备的功率因数特点，在设计时要做到谐波消除补偿无功提高功率因数等。
针对设备的特性本方案采用滤波兼无功补偿的方式，它的主要作用：改善供电系统的稳定性；抑制谐波电流以减少谐波造成的危害。
钢棒生产线工作过程负荷相对比较稳定，谐波含量大，功率因数低。从测试数据看主要谐波成分是5次 、7次、11次、13次其中以5次谐波为最大，电压畸变严重。综上因素考虑滤波装置设计5次、7次、11次三条LC滤波支路，吸收5、7、11次及以上次数的谐波。方案采用仿真法对各回路投入时是否产生非特征频率的谐振进行分析，并最终确定回路的参数。
3、技术特点
l 针对用户系统谐波无功专门设计制造，消除特性谐波补偿无功功率，滤波效果明显。
l 对于5、7、11次谐波电流吸收率达到85%以上，谐波满足 GB/T14549-93要求。
l 根据谐波源的特性设定滤波器的投切方式和控制策略。
l 检测系统情况，按照负荷的无功电流、谐波电流进行实现跟踪。
使受电功率因数提高到0.95以上，降低配电网的线损、增加配电变压器的承载效率。
l 补偿过程中电网电压波动满足国家标准GB/12326-90要求，即：满负荷到轻负荷补偿变化引起的一次侧电压波动≤2.5%。
l 装置保护措施：过电压保护、过电流保护、欠电压保护、接地保护、 过热保护。
l 系统不产生无线电（射频）电磁干扰。
l 运行方式：全自动，连续工作。
l 供电系统及滤波原理图：
五、治理效果
六、结论
1、滤波补偿装置投入运行，自动跟踪钢棒生产线的负载设备变化，使各次谐波得到有效滤除。
2、未治理前电压总畸变率(THD)严重超出国标5%的限值要求。经治理, 电压总畸变率(THD)从原来的9.6%,降止2.8%,各次谐波都符合国标GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》标准要求。
3、经治理谐波电流都得到有效改善，未投入5、7、11次的谐波电流都超标，投入后超标的各次谐波电流吸收率都大于80%以上，符合设备设计要求。如5次谐波电流从184A,降止22A左右; 7次谐波电流从102A,降止11A左右， 11次谐波电流从40A,降止6A左右，注入公共点的各次谐波电流均符合国标GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》要求。
4、滤波装置投入后系统的功率因数得到大幅提高，供电系统0.4KV侧从原来的0.75左右提到0.95以上,有功功率、视在功率、无功功率都得到节省，有效降低用电设备和供电线路的损耗。
5、谐波治理后变压器温度由原来的72度降低到45度，节省了大量电能，变压器使用寿命延长。
6、通过治理后有效改善了钢棒生产线的供电电能质量，提高了电气设备的利用效率,有利于系统的长期安全、经济运行,产生更好的经济效益。