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????? 淺談目前應用廣泛的諧波治理補償成套裝置

????? 關鍵詞：無功補償諧波治理濾波補償

????? 摘　要：河南逐鹿電力設備（集團）公司是專業(yè)從事電力變壓器、斷路器、
箱式變電站、高低壓無功補償成套裝置、無源電力濾波補償裝置、專用諧波治理
補償成套裝置等輸配電設備和電網(wǎng)電能諧波治理成套裝置研發(fā)、生產(chǎn)、銷售的大
型企業(yè)。集團由中外合資河南逐鹿變壓器有限公司、中外合資新鄉(xiāng)逐鹿協(xié)力電力
設備有限公司、河南逐鹿電器有限公司、新鄉(xiāng)中原變壓器有限責任公司和新鄉(xiāng)逐
鹿變壓器波紋油箱廠五家控股（獨資）企業(yè)組成。集團產(chǎn)品暢銷20多個省、市、
自治區(qū)，先后服務于國家重點工程格爾木—拉薩鐵路和黃河二橋、深圳地鐵等重
大項目，并遠銷東南亞、蒙古國等多個國家和地區(qū)。集團堅持長期引進國外技術，
聘請多名國外專家到公司工作，與國內(nèi)清華大學、沈陽變壓器研究所等建立了長
期的人才培養(yǎng)和技術合作關系，不斷壯大自身產(chǎn)品研發(fā)實力；建立了省級企業(yè)技
術中心，擁有一支強大的科研人才隊伍，取得了多項國家專利，產(chǎn)品的設計、制
造、質(zhì)量、性能均達到國內(nèi)先進水平。

????? 關鍵字：無功補償諧波治理成套裝置專用濾波補償

????? 我國電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展給輸變電設備制造業(yè)帶來了機遇和挑戰(zhàn)。根據(jù)國
家“十一五”的電力發(fā)展規(guī)劃：“十一五”期間，發(fā)電量年均增長6 ％～6.75％，
2010年發(fā)電量將達3.2 萬億kW～3.3 萬億kW，相應需要發(fā)電裝機7 億kW～7.3 億
kW.5年新增發(fā)電裝機2.15億kW～2.45億kW，年均增加4300萬kW～5000萬kW. 在機
遇和挑戰(zhàn)中不斷成長壯大起來的河南逐鹿電力設備（集團）公司，積聚了大批優(yōu)
秀的精英人才，在高科技的支持下，新產(chǎn)品開發(fā)和企業(yè)管理工作已達到相當水平，
形成了完整的企業(yè)文化，提升為跨地區(qū)、跨所有制形式的新型企業(yè)，生產(chǎn)銷售十
余個類別、一百多個規(guī)格品種的輸配電設備和電網(wǎng)電能諧波治理成套裝置。下面
就簡單談談目前公司生產(chǎn)的應用廣泛的諧波治理補償成套裝置?！　∫?、無功補
償成套裝置

????? 1 、高壓MCR 型動態(tài)（SVC ）無功補償裝置

????? MCR 型可控電抗器動態(tài)無功補償系統(tǒng)由并聯(lián)固定電容器組（兼濾波）和先
進的磁控可調(diào)電抗器（MCR ）組成。磁控電抗器的電感量無級可調(diào)，能自動快速
跟蹤補償負荷無功、穩(wěn)定母線電壓。該系統(tǒng)控制器采用16位微電腦芯片，能實時
檢測電網(wǎng)無功和電壓參數(shù)，對磁控電抗器實施快速、準確控制。

????? 系統(tǒng)接線示意圖

????? 無功自動跟蹤補償裝置采用固定電容器配合磁控電抗器的方式，當系統(tǒng)無
功過剩時，固定補償電容器發(fā)出的容性無功由電抗器吸收；當缺乏無功時，電抗
器容量自動減小，由補償電容提供容性無功。磁控電抗器控制裝置實時測量計算
系統(tǒng)有功功率、無功功率、功率因數(shù)和母線電壓，并調(diào)整電抗器的輸出容量，使
系統(tǒng)在保證母線電壓合格的條件下，無功最小。

????? 2 、高壓TCR 型動態(tài)無功補償裝置

????? SVC 如圖接入系統(tǒng)中，電容器提供固定的容性無功Qc，補償電抗器通過的
電流決定了補償電抗器輸出感性無功QTCR的大小，感性無功和容性無功相抵消，
只要能做到系統(tǒng)無功Qn=Qv （系統(tǒng)所需）-Qc+QTCR= 常數(shù)（或0 ），則能實現(xiàn)電
網(wǎng)功率因數(shù)= 常數(shù)，電壓幾乎不波動，關鍵是準確控制晶閘管的觸發(fā)角，得到所
需的流過補償電抗器的電流，晶閘管變流裝置和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)這個功能，采
集母線的無功電流值和電壓值，合成無功值，和所設定的恒無功值（可能是0 ）
進行比較，計算得觸發(fā)角大小，通過晶閘管觸發(fā)裝置使晶閘管流過所需電流。

????? 對于不對稱負荷，利用steinmets 理論實現(xiàn)分相調(diào)節(jié)，消除負序電流，平
衡三相電網(wǎng)。

????? 3 、高壓數(shù)碼編組自動投切無功補償成套裝置目前，電力系統(tǒng)廣泛使用的
傳統(tǒng)型高壓并聯(lián)電容器補償裝置，由于不分組手動（或自動）投切，補償后無法
滿足系統(tǒng)無功不斷變化的需求，因而功率因數(shù)不能達到比較高而且平穩(wěn)的水平，
當系統(tǒng)重載時應投入足夠的無功補償容量，而當主變輕載后必須及時切除投入的
電容器，否則可能會因過補償使電壓升高造成事故。如果采用傳統(tǒng)的分組投切電
容器補償裝置來滿足由于負荷變化引起的無功需求，則可能存在由于設備安裝復
雜，安裝所需要的材料較多，裝置占地面積增大等問題。數(shù)碼編組自動投切無功
補償裝置很好地解決了以上問題，裝置是分組自動投切補償?shù)?，補償功率因數(shù)可
保證在任何時候不低于設定的數(shù)值，在系統(tǒng)輕載時裝置會自動切除多余的補償電
容器，不會使系統(tǒng)電壓升高。一般情況下，編碼投切的電容器組最小投切單元的
容量會設計成系統(tǒng)最低無功需求的容量，每個電容器組均設有過流、過壓、欠壓、
速斷、三相不平衡等保護，而這些保護對單臺電容是十分可靠的，由于每次投入
的容量減小，對于線路的沖擊也大大減小，安裝費用低廉，占地面積也大大減小。

????? 4 、高壓柱上式無功補償成套裝置

????? ZL/TBBZ 柱上式無功自動補償裝置

????? ZL/TBBZ 型柱上式自動投切線路無功補償裝置是由支持絕緣子、跌落式專
用高壓熔斷器、自動投切負荷開關以及并聯(lián)電容器、鋼結構框架等組成的新型成
套設備。它具有體積小、重量輕、安裝簡便、自動化程度高之優(yōu)點。主要用于6kV
和10kV配電線路上，對電容器按供電峰谷時段，電壓高低實現(xiàn)自動投切。它在改
善電網(wǎng)供電電壓、提高功率因數(shù)、降低線路損耗上具有投資少，見效快的特點，
尤其適用于農(nóng)村電網(wǎng)進行線路補償。

????? 本裝置設計充分考慮農(nóng)村電網(wǎng)無功補償之要求－分散補償，安裝快捷，不
占耕地，維修方便。在保證電氣安全的前提下，框架結構緊湊，體積達到最小，
適合安裝于任一地點的桿木上，其兩側(cè)裝有可折疊的檢修平臺，以便工作人員檢
修之用。裝置中用于過電流保護與隔離的跌落式熔斷器，不僅能避免補償電容器
承受過電流的危害，也能配合負荷開關開斷一定大的短路電流，給裝置的安裝點
帶來了充分的選擇性。負荷開關可以根據(jù)電壓對電容器進行自動投切，電容器本
身帶有放電電阻，在分斷后能自行放電，延長了電容器的使用壽命。

????? 5 、低壓無功補償成套裝置ZL/WZJ系列低壓無功補償柜用于低壓電網(wǎng)的無
功功率補償，以提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低線路損耗，改善電能質(zhì)量。該系列低壓
無功補償柜以智能型無功功率控制器為核心，利用電容型接觸器作為電容器組的
投切器件，根據(jù)電網(wǎng)功率因數(shù)自動進行投切電容，確保電網(wǎng)始終具有較高的功率
因數(shù)。ZL/WZJ型低壓無功補償柜的補償元件為電容器，可用于諧波不高的場合；

????? WZJ 系列電能質(zhì)量監(jiān)控及低壓無功自動補償裝置，通過柜內(nèi)裝設的自動無
功補償控制器的動作，自動地控制柜內(nèi)并聯(lián)電容器組的投入和切除，使電網(wǎng)的無
功消耗保持在最低狀態(tài)，從而提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量，減少輸電系統(tǒng)和變壓器的損耗。
同時也可以通過轉(zhuǎn)換開關對并聯(lián)電容器組的投切進行手動的控制。達到調(diào)節(jié)系統(tǒng)
電壓，節(jié)約能源的目的低壓分相投切自動無功補償成套裝置，如用戶需要可將無
功功率補償和照明配電集于一體，可具有“補償”和“配電”雙重功能。該裝置
能自動檢測各相負載的功率因數(shù)，而自動分相投入各相所需的電容量，使各相的
無功功率補償達到最佳狀態(tài)。對改善電網(wǎng)功率因數(shù)、提高電網(wǎng)效率、減少線路損
耗、改善電壓質(zhì)量、節(jié)約用電、增大變壓器有功容量、降低配電線路成本等有顯
著效果。裝置均采用先進的數(shù)字儀表，使參數(shù)更加準確、直觀，便于操作人員掌
握。

????? 二、高壓無源電力濾波及無功補償成套裝置1 、通用型高壓無源電力濾波
及無功補償成套裝置鋼鐵、石油化工、冶金、煤炭以及印染等行業(yè)的負荷在工作
過程中產(chǎn)生大量諧波，對電力系統(tǒng)造成嚴重的污染，影響供電質(zhì)量。無源電力濾
波裝置就近吸收諧波源產(chǎn)生的諧波電流，是抑制諧波污染的一種有效措施。無源
電力濾波裝置主要由濾波電容器、空心濾波電抗器和無感電阻的適當組合而成，
運行中與諧波源并聯(lián)，起濾波作用并兼顧無功補償和調(diào)壓的需要。由于它經(jīng)濟實
用、結構簡單、運行可靠、維護方便等原因，得到了廣泛應用。

????? 無源電力濾波器主要由濾波電容器、濾波電抗器和無感電阻器等適合連接
組成，完成濾除諧波兼顧無功補償?shù)淖饔?。其主要的工作原理是電路的串?lián)諧振，
在某一個諧波頻率下，當電容器的容抗和電抗器的感抗相等時，其串聯(lián)等效電抗
為很低值，對相應頻次諧波表現(xiàn)出低阻抗，從而有效的抑制了流向系統(tǒng)或其它負
荷的諧波電流，改善了系統(tǒng)的電壓畸變。

????? 按結構和接線方式分，無源電力濾波器主要有以下幾種：單調(diào)諧波濾波器、
雙調(diào)諧波濾波器、C 型濾波器、高通濾波器等。單調(diào)諧波濾波器是工程中使用最
多的濾波器，它僅對某一次諧波起濾波作用，特點是結構簡單，但對元件的工作
穩(wěn)定性要求高，較小的額定值改變會帶來較大的濾波效益劣化。雙調(diào)諧波濾波器
同時吸收兩種頻率的諧波，實際上相當于兩個并聯(lián)的單調(diào)諧波濾波器，但減少了
回路，基波損耗較小，只有一個電抗器承受全部沖擊電壓。這種濾波器結構復雜，
調(diào)諧困難，但在高壓大容量裝置中采用有一定的技術經(jīng)濟的優(yōu)越性。

????? 高通濾波器對截至頻率以下的頻次呈現(xiàn)高阻抗，對截止頻率以上的頻次在
寬廣的范圍內(nèi)呈現(xiàn)較低的阻抗值，可以抑制高次諧波對系統(tǒng)的影響，其特點是基
波損耗較小，阻抗頻率特性較好，結構簡單，對工頻偏差及元件參數(shù)變化不敏感，
故工程上應用較多。C 型濾波器是一種新型濾波器，它的基波損耗很小，適合用
在較低的頻次上，但它對工頻偏差元件參數(shù)變化比較敏感。

????? 2 、專用濾波補償裝置2.1 中頻爐濾波補償裝置中頻感應爐的電源系統(tǒng)是
電力系統(tǒng)中數(shù)量最多的諧波源，常見的有中頻爐和高頻感應爐電源等。一般６脈
沖中頻爐，主要產(chǎn)生6K±1 次諧波，即5 、7 、11、13次特征諧波等；對于12脈
沖換流中頻爐，主要為12K ±1 次諧波，即11、13、23、25次特征諧波。一般情
況下，小型換流裝置采用6 脈沖，大型換流裝置采用12脈沖。

????? 中頻爐濾波裝置，一般設計兩條以上回路，采用組合濾波方式進行諧波治
理：2.2 單晶爐專用濾波補償裝置為保證單晶爐正常運行和可靠供電，減少高次
諧波對電網(wǎng)的污染，改善設備的運行條件，需要采取濾除諧波電流的措施，同時
考慮補償基波無功功率，根據(jù)單晶爐的運行特性，要求諧波治理及無功補償裝置
必須具有快速調(diào)節(jié)功能，我公司針對單晶爐專門設計研發(fā)了單晶爐濾波裝置。

????? 根據(jù)我國有關電網(wǎng)電壓質(zhì)量的標準規(guī)定，以及目前國內(nèi)外在諧波治理方面
的研究成果，本產(chǎn)品采用晶閘管動態(tài)投切濾波回路的方式（TSF ）對單晶爐設備
產(chǎn)生的特征諧波分別進行濾除，吸收諧波電流，改善電源的負荷特性，同時補償
基波無功功率，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，給用戶帶來節(jié)能效益。

????? 2.3 電弧爐專用濾波補償裝置電弧爐是利用電弧能來冶煉金屬的一種電爐。
工業(yè)上常用的電弧爐有兩類：一類是直接加熱式，電弧發(fā)生在專用電極棒和被熔
煉的爐料之間，爐料直接受到電弧熱。主要用于煉鋼，其次也用于熔煉鐵、銅、
耐火材料、精煉鋼液等；二類是間接加熱式，電弧發(fā)生在兩根專用電極棒之間，
爐料受到電弧的輻射熱，用于熔煉銅、銅合金等。這種爐子噪聲比較大，熔煉質(zhì)
量較差，已逐漸被其它電爐所取代；電弧爐一般是三相式，通過專用電弧爐變壓
器供電，變壓器高壓側(cè)通常為6.3kV 、10kV、35kV，也有110kV ，低壓側(cè)通常為
一百多伏至一千多伏。目前常用的電弧爐規(guī)格主要在2T至100T爐之間。

????? 電弧爐工作工況基本分為兩個階段，熔化期和精煉期，熔化期由于存在大
量未熔物，爐子狀態(tài)不穩(wěn)定，這時電流波形不規(guī)律，諧波含量大，主要是2 、3 、
4 、5 、6 、7 等較為低次諧波，含有大量諧波，并伴隨電壓波動和閃變，導致
電網(wǎng)電壓和電流的畸變。精煉期電弧爐穩(wěn)定，諧波含量不大。

????? 我們主要針對電弧爐的特性，非標設計成套電弧爐專用濾波補償設備，對
于不同工況、不同廠家電弧爐進行專門設計。低壓一般采用TSF 濾波裝置，針對
高壓系統(tǒng)多采用SVC 濾波裝置。

????? 2.4 電渣爐專用濾波補償裝置電渣爐是一種利用電流產(chǎn)生熱能熔化插入渣
池的自耗電極，金屬熔滴通過渣液清洗后，在水冷結晶器中結晶成電渣錠的一種
特殊冶煉設備。

????? 電渣爐在熔煉的控制過程中，采用以調(diào)整脈沖信號移相角來控制可控硅整
流器的輸出電流，即調(diào)節(jié)磁調(diào)變壓器的激磁電流達到控制變壓器的二次輸出電壓。
以控制信號控制交流變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)慢速升降電機的轉(zhuǎn)速達到控制自耗
電極插入熔池的深度，控制冶煉電流的目的。由于可控硅整流器和交流變頻器在
運行中要產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)，所以供電部門常要求用戶采取治理措施。

????? 在電渣爐接入的系統(tǒng)中，主要存在3 次、5 次、7 次、11次及以上的諧波，
因此我公司采用在濾波系統(tǒng)設置為單調(diào)諧加高通的組合濾波器，效果非常明顯，
可以達到國標有關諧波治理的要求，如果采用APF 有源濾波器進行組合濾波，效
果將更加理想。

????? 2.5 礦熱爐濾波補償裝置礦熱爐主要指硅鐵爐、黃磷爐、電石爐等主要以
電阻方式加熱的冶煉爐，是一種耗電量非常大的工業(yè)電爐。

????? 根據(jù)礦熱爐的結構特點以及工作特點，礦熱爐系統(tǒng)電抗的70％是由短網(wǎng)系
統(tǒng)產(chǎn)生的，而短網(wǎng)是一個大電流工作的系統(tǒng)，最大電流可以達到上萬安培，因此
短網(wǎng)的性能決定了礦熱爐的性能，正是由于這個原因，因此礦熱爐的自然功率因
數(shù)很難達到0.85以上，絕大多數(shù)的爐子的自然功率因數(shù)都在0.7~0.8 之間，較低
的功率因數(shù)不僅使變壓器的效率下降，消耗大量的無用功，且被電力部門加收額
外大量電力罰款。同時由于電極的人工控制以及堆料的工藝，導致三相間的電力
不平衡加大，最高不平衡度可以達到20％以上，這導致冶煉效率的低下，電費增
高，因此提高短網(wǎng)的功率因數(shù)，降低電網(wǎng)不平衡就成了降低能耗，提高冶煉效率
的有效手段。如果采取適當?shù)拇胧?，提高短網(wǎng)功率因數(shù)，可以達到以下的效果：
（1 ）降低電耗5~20% （2 ）提高產(chǎn)量5%~10%以上。

????? 這能夠給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益，投入的改造費用可以在節(jié)約的電費中
短期內(nèi)收回。

????? 為了解決礦熱爐功率因數(shù)低下的問題，我國目前一般采用電容補償?shù)姆绞?BR>來解決，通常是在高壓端進行無功補償。在高壓端進行補償2.6 變頻器專用濾波
補償裝置變頻技術在大量的感性負載節(jié)能方面有著無可替代的地位，節(jié)約的電能
有時能達到30% 以上，效益十分可觀。隨著變頻器日益廣泛的普及和應用，其占
電網(wǎng)總負荷的比例已經(jīng)越來越大。其中大部分額定電壓為三相380V的交直交型變
頻器（以下簡稱變頻器）。然而，隨之帶來的網(wǎng)側(cè)諧波問題也越來越受到各變頻
器用戶和供電部門的關注。

????? 由于變頻器的整流部分一般為三相全波不可控整流，直流回路采用大電容
作為濾波器。這樣，雖然變頻器的網(wǎng)側(cè)輸入電壓波形基本上是正弦波，但輸入電
流是脈沖式的充電電流，含有豐富的諧波，表現(xiàn)在網(wǎng)側(cè)的有5 、7 、11、13、15、
17、19次諧波電流，一般最大以5 、7 次為主。

????? 感型負載在運行中要消耗大量的無功電流，但是諧波會使無功補償裝置不
能正常運行，并且導致一些現(xiàn)代化的精密控制機床無法運行，因此對使用變頻器
的系統(tǒng)采取諧波治理措施是必須的。

????? 參考文獻1 ：鄭龍？河南逐鹿電力設備（集團）公司產(chǎn)品大黃頁新鄉(xiāng)今日
出版社2006年2 ：奧地利 George J.Wakileh 《PowerS ystems Harmonics Fundamentals
Analysis And Filter Design》北京機械工業(yè)出版社，2007年3 ：羅安？電網(wǎng)諧
波治理和無功補償技術及裝備北京中國電力出版社2007年4 ：姜齊榮，趙東元，
陳建業(yè)？有源電力濾波器- 結構、原理、控制北京科學出版社2008年5 ：逐鹿協(xié)
力？濾波補償產(chǎn)品手冊新鄉(xiāng)今日出版社2008年