铝厂供电系统的无功补偿和滤波系统

发表时间：2020-08-05T16:43:04.293Z 来源：《当代电力文化》2020年8期 作者： 孙炜[导读] 经调研测试，电解铝整流供电系统的效率一般为95％～97％之间

摘要：经调研测试，电解铝整流供电系统的效率一般为95％～97％之间，部分陈旧系统的效率低于94％。如果将电解铝整流供电系统的运行效率提高1％，则全国每年可节约电能30亿度，减少二氧化碳排放约300万吨。现在提高电解铝整流供电系统效率的主要方法为安装无功补偿和滤波设备，但此方法的节能空间有限。 关键词：铝厂供电系统；无功补偿；滤波系统；

由于一些大的用电单位对电网的供电质量造成不同程度的影响,产生大量的各种谐波分量,直接影响电网的供电质量。一个大型的电解铝企业,其整流供电的功率因数一旦低于0.9,则直接使设备的输出功率降低,设备的绝缘发热老化,效率降低,另外也给电网增加了负担,降低了电网的输电能力,所以滤波补偿装置是电解铝整流供电的重要设备。 一、谐波的产生

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数。谐波现象的产生主要是由于大容量电力设备和用电整流或换流，以及其他非线性负荷造成。当工频电压（设电源阻抗为零）施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设备，如变流器、导线、开关设备、电容器等。而实际的系统电源存在一定抗阻，故畸变的电流将在抗阻上产生压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有负荷产生影响。系统中的主要谐波源可分为两大类：含半导体非线性元件的谐波源：如各种整流设备、交直流换流设备、变流器、直流拖动设备整流器、变频器以及现代工业设施的节能和控制用的电力电子设备等。含电弧和铁磁非线性设备的谐波源：如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯和发电机、变压器及磁铁谐振设备等。含半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，这类设备在电力系统中广泛存在，随着硅整流技术的发展和不断完善，硅整流装置、晶闸管在各行各业中得到日益广泛的应用，大到直流输电用的整流和逆变装置，小到电视机电源、电池充电器等，遍布于电力系统的各个电压等级。它们按一定规律开闭不同电路，将谐波电流注入系统。供配电系统中除存有半导体非线性元件所产生的谐波源外，还同时存在含有电流或铁磁非线性元件所产生的谐波源。一般来说后者的谐波源没有前者的谐波源所产生的效果严重，但在特殊情况下它们也可能产生较严重的谐波。由于电网供电电压并非理想的正弦波, 而整流供电二极管的单向导电作用,在正反向电压作用下,其阻值迥然不同, 因而整流装置从交流电力系统取的电流也是非正弦波的,这种非正弦交流波形根据系统参数,整流装置相数,接线和运行条件的不同而发生很大畸变而产生的这些谐波危害极大,直接危害用电设备的绝缘,降低电气设备的使用寿命，产生严重的电压波动, 使三相不平蘅,容易使电容器击穿，谐波可以使继电保护发生误动作,造成巨大的经济损失，谐波所产生的电压闪变,对高精度电子设备产生极大的影响。 二、铝厂供电系统的无功补偿和滤波系统

1.对谐波源负载的补偿。当电网接有谐波源负载时,不能将补偿电容器直接接于电网,因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路,在对谐振频率进行估算时,可以根据电网短路功率和电容器基波补偿容量在5次谐波频率下电网具有谐振,并联阻抗大大升高,由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后,会产生很高的谐波电压,谐波电压叠加在基波电压上,导致电压波形发生畸变.在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍,即谐波放大,此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷,特别是电容器,长期运行于过负荷状态,加速绝缘老化,甚至击穿爆炸.可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率,调整电容器容量配置,使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离,避免谐波放大.但是实际的电网阻抗不为常数,而时常处于不断变化之中,很难完全避开谐振,特别当电容器分组调节运行时,情况更为复杂.当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时,必须采取技术措施,将并联谐振点移到安全位置,而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器.

2.电容器回路串电抗。电容器串电抗后形成一个串联谐振回路,在谐振频率下呈现出很低的阻抗，如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致,则成为纯滤波回路.如果只吸收少量谐波,则称为失谐滤波回路。失谐波回路的主要用途是防止谐波放大,滤波效果不大,回路串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率,即设定为基波频率的3.8～4.2倍。电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6%～7%只吸收少量5次及以上的谐波,谐波源产生的谐波的大部分流入电网, 电容器容量根据预计达到的功率因数值确定.纯滤波回路的主要用途是吸收谐波,同时补偿基波无功功率。在串联谐振状态下,因此可对相关谐波形成短路在谐振频率以下滤波回路呈容性,因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。在谐振频率以上滤波回路呈感性.由于滤波回路在谐振点以下呈容性,所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路。如果在这个频率范围内没有特征谐波,则并联谐振对电网不会产生危害。当电容器采用接线,则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96%～98%,以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变,滤波回路除了输出基波无功功率外,还要承受谐波负荷,多个不同谐振频率的滤波器在两个点间会出现一个并联谐振点。

3.滤波回路的无功功率调节。由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波,所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性,只能对各个回路进行投切,投入的顺序为从低次到高次,切除的顺序为从高次到低次。对于容量较大的补偿滤波装置,可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法,即纯滤波回路固定运行,补偿基本负荷,失谐滤波回路作为调节运行。如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性,另一个呈容性,则会产生并联谐振,使谐波放大。如果经过经济技术比较需要采用并联方式各支路电阻接近,可以较好解决电流分配问题,但是滤波效果要降低.如果既要吸收谐波,又要保持调节的灵活性,可以采用并联支路的方式,即若干个同次滤波回路同时接入电网,各支路的电容同时并联,形成一个总的滤波回路,调节时可以投切其中的一个或多个并联支路。这种方式不会出现支路间的并联谐振,同时提高了滤波效果.除了对电容器分组调节以外,对于负载波动频繁的场合,采用动态补偿及滤波装置是最佳的解决方案。

4.滤波回路的选择。选择滤波回路有以下两个原则:主要用于吸收谐波,降低电网电压畸变,基波无功补偿居次要位置。提高电网功率因数,同时吸收谐波,电容器容量按无功补偿的要求配置.整流供电所所用的滤波补偿装置共计六套,每台整流变安装一套,挂接在整流调压变压器补偿绕组侧,每套滤波装置由三条滤波支路组成,采用双星形不平衡电流保护方式,为使滤波补偿装置安全运行,防止事故的扩大,影响电网的正常运行,滤波补偿装置一般设置了多种保护措施,其保护方式如下:母线过电压、欠电压保护、滤波支路过流、速断与中性点不平衡电流保护跳闸;单台电容器内熔丝保护;氧化性避雷器保护各滤波支路进线和中性点对地设氧化性避雷器;过电压吸收器保护滤波器总进线断路器出线端设置过电压吸收保护,可有效限制操作过电压。

由于铝厂电解整流装置是主要谐波发生源，因此对其产生的谐波量是否超过标准允许值应进行实测或理论评估，特别是在建设过程

中，铝厂试运行影响电能质量与相应的电网支撑建设未完善的情况同时出现时，更需要进行充分的测试和理论分析，以确保电网的供电质量和广大用户的电气设备的安全可靠运行。 参考文献：

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