张庄矿高压大功率变频电机的高次谐波治理.pdf

刘建东（1984），男，助理工程师，237400 安徽省六安市。张庄矿高压大功率变频电机的高次谐波治理刘建东王彪韩晓辉黄明杰（安徽马钢张庄矿业有限责任公司）摘要张庄矿大型主体设备电机采用了高压大功率变频电机，设备运行过程中产生的高次谐波严重影响到电网和其他用电设备的安全。为解决这些问题，张庄矿通过对整个配电系统进行梳理分析，并进行了科学检测及计算，最终确定了主要的谐波源来自于主井提升电机10 kV高压变频器ACS6000；运用计算机仿真系统进行分析计算，确定合理的补偿容量及合适的装置。根据分析结果，张庄矿采购了1套MWT-TBB型谐波滤除装置并将其安装于主井10 kV/5 400 kW电机定子变压器进线侧，设备投运后矿山电网谐波得到了有效治理。关键词变频电机高次谐波谐波治理DOI：10.3969/j.issn.1674-6082.2023.08.057High-order Harmonic Control of High-voltage High-power Frequency Conversion Motor inZhangzhuang MineLIU JiandongWANG BiaoHAN XiaohuiHUANG Mingjie（Anhui Masteel Zhangzhuang Mining Co.，Ltd.）AbstractThe motor of large main equipment in Zhangzhuang Mine adopts high-voltage and high-power frequency conversion motor.The high-order harmonics generated during the operation of the equipment seriously affect the safety of power grid and other electrical equipment in the mine.In order to solvethese problems，Zhangzhuang Mine analyzed the whole distribution system，and carried out scientific detection and calculation.Finally，it was determined that the main harmonic source came from the 10 kV highvoltage inverter ACS6000 of the main shaft lifting motor.The computer simulation system is used for analysisand calculation to determine the reasonable compensation capacity and the appropriate device.According tothe analysis results，Zhangzhuang Mine purchased a set of MWT-TBB harmonic filtering device and installed it on the inlet side of the stator transformer of the main shaft 10 kV/5 400 kW motor.After the equipment was put into operation，the harmonic of the mine power grid was effectively controlled.Keywordsfrequency conversion motor，high-order harmonics，harmonic control总第 652 期2023 年 8 月第 8 期现代矿业MODERN MININGSerial No.652August.2023近年来，随着我国经济的高速发展，节能降耗、减少碳排放的任务日趋艰巨，提高用电设备的效率已是大势所趋，高压大功率变频电机的应用越来越广泛。伴随高压大功率变频电机的大量应用，其产生的高次谐波危害也日益严重。张庄矿生产所用大型主体设备电机也采用了高压大功率变频电机，使用过程中发现该类电机运行时产生的高次谐波使得矿山出现了10 kV配电系统中经常出现“综保误动作”、家属区电器经常坏等一系列问题。为解决这些问题，张庄矿通过系统分析及科学检测，运用计算机仿真系统进行仿真计算，确定合理的补偿方案1-5。1谐波及其危害谐波对周期性交流信号量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量，称为特征谐波，特征谐波之外为非特征谐波。谐波主要产生于大容量整流、变频设备、电弧设备以及其他非线性负荷导致电流波形畸变，其直观表现为供电系统原本平滑的正弦波形变得高低不平。谐波会影响供配电系统的稳定运行，供配电系244现代矿业2023 年 8 月第 8 期总第 652 期统中的各种保护在谐波的干扰下极易产生误动或拒动，谐波严重威胁着供配电系统的稳定与安全。谐波会影响电网的质量，增加输电、变电和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和运行经济效益，浪费电网容量，并给企业增加额外的电能损耗。谐波会影响供电系统的无功补偿设备、电力变压器、异步电动机等用电设备的正常运行，降低设备寿命甚至引发事故。2谐波治理前的配电系统状况张庄矿业110 kV变电站配电系统如图1所示，可以看到配电系统通过电力公司110 kV架空线路2回接入，通过2台容量为20 000 kVA、变比110/10的总降变压器分2段10 kV母线给整个矿山供电，10 kV系统短路容量为 188.7 MVA。10 kV 段母线通过1101高压开关进线，主要给选矿高压配电室、中细碎高压配电室、井下中央高压配电室、生活区高压配电室以及部分小容量负荷供电，配置有1路电容补偿装置；10 kV 段母线通过1102高压开关进线，主要给选矿高压配电室、中细碎高压配电室、井下中央高压配电室、主井高压配电室以及部分小容量负荷供电，也配置有1路电容补偿装置。谐波产生的原因为张庄矿配电系统二次侧负荷设备中配置有一定数量的变频器，变频器为典型的谐波源设备。通过对整个配电系统进行梳理分析发现，主井提升 10 kV/5 400 kW 的高压大功率变频电机，在运行过程产生了大量的高次谐波源源不断地注入10 kV母线系统后，对整个10 kV配电系统形成了较严重的谐波危害。在以往运行过程中，10 kV配电系统中经常出现“综保误动作”、工厂照明“LED灯电流过大而损坏”、家属区“电磁炉经常坏”等一系列问题，谐波严重影响着整个矿山配电系统的安全运行，高压大功率变频电机的谐波治理已经刻不容缓。为解决谐波危害，张庄矿邀请了专业技术人员对全矿配电系统进行了详细的电能质量检测，发现10 kV 母线电压谐波总畸变率达到 11.74%，大幅超过国家标准（GB/T 1454993）所规定限值 4%的要求，同时还发现导致 10 kV 母线电压谐波总畸变率严重超标的主要原因是5 400 kW的高压大功率变频电机所产生的 2350 次的高次谐波。经过研究，确定在5 400 kW的高压大功率变频电机的10 kV母线上安装1套10 kV专用型高次谐波治理装置（主要滤除2350次高次谐波），彻底解决高次谐波对各级配电系统及负载设备造成的干扰危害，保障整个配电系统的安全稳定运行，减少无用电能消耗节能降耗。3张庄矿10 kV高次谐波滤波器设计3.1高次谐波滤波器方案设计及仿真分析3.1.1基波补偿容量及安装容量的确定通过现场检测的谐波数据和无功数据分析，经过计算机滤波器设计软件的计算和系统仿真，得到10 kV高次谐波滤波装置的安装容量为6 000 kvar，基波补偿容量为3 000 kvar，在满足滤波要求的同时，不会造成过补。本滤波装置主要吸收2350次谐波电流，降低10 kV母线谐波电压。10 kV高次谐波滤波装置的构成为高通滤波支路，为防止5次、7次、11次谐波的大幅放大，同时设置了1路5次滤波器、1路7次滤波器、1路11次滤波器。由于单调谐滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变，电网频率会有一定的波动，这将导致滤波器失谐。设计时保证在正常波动情况下10 kV高次谐波滤波装245刘建东王彪等：张庄矿高压大功率变频电机的高次谐波治理2023 年 8 月第 8 期置仍能满足各项要求。滤波装置设计如图2所示。3.1.2计算机仿真数据10 kV高次谐波滤波装置各滤波支路计算机设计软件计算数据如表1所示。10 kV高次谐波滤波装置投入前后电压谐波总畸变率计算数据如表2所示。经计算机滤波器设计软件仿真分析得到的以上数据表明，10 kV高次谐波滤波装置投入后，10 kV系统不会发生特征谐波的有害放大。投入滤波器后电压总谐波畸变率由原来的 11.74%降低为 2.12%，远小于4%的国家标准限值要求。3.2设备选型及安装根据仿真结果及设计方案张庄矿购买了一套MWT-TBB型谐波滤除装置，系统每相回路由滤波电容与滤波电抗串联，三相由3个单相接成Y型，中性点绝缘，含开口电压检测保护、电流保护（在电容器出线柜上）。装置设计有自动控制系统，可根据系统无功需求自动或手动投切。该装置滤波补偿功能能阶梯跟踪补偿负载无功功率的变化，23次谐波电流吸收率达到 70%以上。根据方案安装地点靠近 10kV母线，将装置安装在10 kV/5 400 kW的高压大功率变频电机的10 kV母线上并投入运行。4装置运用效果10 kV高次谐波滤波装置投入运行后，通过专业设备对10 kV进线开关（PCC点）现场谐波检测，对比装置投入前10 kV/5 400 kW高压变频电机的现场谐波检测报告可以发现，高压自动滤波无功补偿成套装置投入运行后，电网的电能质量得到了极大的改善，电压谐波总畸变率在2%附近，达到了国家标准（GB/T 1454993）所规定的限值4%的要求，现场由于谐波带来的系列问题也得到了解决。5结语（1）结合现场情况以计算机滤波器设计软件计算得出的数据为依据，选定的相应参数的MWT-TBB型谐波滤除装置对现场高压大功率变频电机运行时的谐波能进行有效治理；通过现场实测数据的对比，装置投入运行后，10 kV母线电压谐波总畸变率由原来的11.74%降低到1.87%。（2）谐波治理对于电网平稳运行，降低设备故障有良好效果。10 kV高次谐波滤波装置自投入运行以来，矿山各种工业电气设备和家用电器设备都工作正常，10 kV配电系统中再也没有出现过“综保误动作”的现象。（3）由于投入的设备具有一定的节能效果，通过无功补偿提高了功率因数，全年节电效益明显，可取得相当的社会效益和经济效益。参考文献1张敏，徐春雷，滕贤亮，等.一种针对电网电力电子化的高次谐波抑制方法 J.电子器件，2021，44（5）:1160-1164.2魏学良，程婷.谐波治理设备在供电系统中的应用 J.国外电子测量技术，2015，34（1）:80-83.3罗安，吴传平，彭双剑.谐波治理技术现状及其发展 J.大功率变流技术，2011（6）:1-5，9.4刘鹏飞，孙振海.煤矿提升绞车谐波抑制和无功补偿 J.煤炭技术，2008（1）:37-39.5白伟.谐波抑制多谐波源的谐波技术分析 J.信息记录材料，2021，22（12）:225-227.（收稿日期 2022-12-12）246