有源濾波裝置在水處理行業(yè)配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：在水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)中，涉及曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設(shè)備等負(fù)荷設(shè)備，導(dǎo)致異步電動機產(chǎn)生較多無功功率和大量的諧波，使系統(tǒng)功率因數(shù)下降，以及諧波對配電系統(tǒng)、負(fù)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，通過有源濾波裝置治理，濾除諧波，從而節(jié)能降耗。

關(guān)鍵詞：水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)；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(wěn)，廠房建設(shè)逐年穩(wěn)步增加；

1.2電機、水泵等負(fù)載長期工作，功率因數(shù)較高，無功補償較為穩(wěn)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(shè)備進(jìn)行諧波治理。

2、水處理行業(yè)主要設(shè)備

水處理行業(yè)污水處理廠的主要大功率設(shè)備包括曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設(shè)備以及干化成套設(shè)備等，還有大型空調(diào)系統(tǒng)、變頻器、通風(fēng)設(shè)備。這些設(shè)備的變頻機構(gòu)、控制部件都是典型的非線性負(fù)載，產(chǎn)生的諧波流入配電系統(tǒng)，污染電網(wǎng)，不僅會對無功功率補償設(shè)備造成潛在影響還會影響各類電氣設(shè)備正常運行，降低系統(tǒng)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，曝氣風(fēng)機將氣體鼓入曝氣池中，為微生物的活動，提供充足的氧氣，促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。曝氣風(fēng)機開啟時，功率因數(shù)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(tǒng)于一體的泵類產(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(yīng)池內(nèi)污水濃度，提升泵功率因數(shù)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(shè)備主要產(chǎn)生5、7次諧波，污泥脫水設(shè)備功率因數(shù)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，因而改變其運動磁場的周期，達(dá)到平滑控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，至大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命。大容量變頻器的使用需搭配進(jìn)線電抗器使用，有效防止功率元件的擾動和沖擊，防止與有源濾波器沖突從而放大諧波，變頻器功率因數(shù)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(xiàn)象

湖南某污水處理廠一臺2000kVA的變壓器，變壓器低壓側(cè)兩臺電容補償柜，補償容量為1000kVar，柜內(nèi)為接觸器投切，且均為自動投切。在污水處理廠調(diào)試運行過程中，運行值班人員在巡檢時發(fā)現(xiàn)低壓配電室的電容補償柜內(nèi)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(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)溫度均在80～100℃，同時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)問題。電容內(nèi)部采用較差的黑膠填充，過熱易膨脹鼓包；外部材質(zhì)采用鐵制外殼，在沿海城市或鹽霧濃霧高的場所；電抗器采用鋁芯，接口氧化高溫易爆；

2. 現(xiàn)場施工安裝時，電氣連接件的緊固問題。接口處若有松動，連接點局部發(fā)熱；

3. 電容電抗的參數(shù)匹配問題。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導(dǎo)致發(fā)生諧振；

4. 環(huán)境因數(shù)。隨著現(xiàn)場環(huán)境溫度、濕度的變化，電容電抗參數(shù)變化，導(dǎo)致串抗率偏移的問題，電容電抗之間會產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電流變大、發(fā)熱嚴(yán)重；

5. 諧波電壓觸發(fā)的電容柜和負(fù)載之間的并聯(lián)諧振問題，導(dǎo)致母線電壓抬升，出現(xiàn)電容損壞或者負(fù)載設(shè)備過壓保護(hù)或損壞的現(xiàn)象。

3.3解決方案

測試點為變壓器總出線端，根據(jù)該污水處理廠電能質(zhì)量的實測結(jié)果，變壓器總出線端含有5次、7次、11次、13次諧波，總諧波電流達(dá)到200A，諧波畸變率達(dá)到27.6%。現(xiàn)場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大引起的線路及設(shè)備起火。最終在我公司的建議下，在變壓器的出線側(cè)，安裝了1臺300A有源濾波器，

目前現(xiàn)場諧波畸變率穩(wěn)定在10%以下，電容柜長期穩(wěn)定運行。

APF有源濾波器采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，并聯(lián)在系統(tǒng)中，兼補諧波和無功；可對2～51次諧波進(jìn)行全補償或特定次諧波進(jìn)行補償；具備完善的橋臂過流、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；具備自動檢測運行、測量監(jiān)視和定值設(shè)定功能；具備智能散熱和無極調(diào)速的功能；具備動態(tài)擴容功能，支持插拔，方便更換。

5、結(jié)論

水處理行業(yè)中的設(shè)備普遍采用變頻器、電機、水泵，使非線性設(shè)備負(fù)荷的種類和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴(yán)重，給配電系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備帶來巨大危害。但水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設(shè)備故障、使用壽命縮短等直接和間接經(jīng)濟損失相當(dāng)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(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。