广州李坑垃圾发电厂04KV配电系统无功补偿兼谐波治理测试报告及技术改造方案.doc

广州李坑垃圾发电厂04KV配电系统无功补偿兼谐波治理测试报告及技术改造方案（可编辑）
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广州高澜节能技术股份

测 试 报 告
及 解 决 方 案
测试单位：广州高澜节能技术股份
委托单位：广州李坑垃圾发电厂

2021年06月02日

测试单位地址：广州市科学城南云五路3号
测试单位 ：510663
测试单位 ：
测试单位 ：
目录
一.测试报告 3
1、测试时间： 3
2、测试地点： 3
3、测试仪器： 3
4、测试目的： 3
5、测试单位： 3
6、测试人员： 3
二.解决方案 15
1. 概述 15
2．待补偿负荷介绍 16
3. 设计依据 16
3.2电压波动和闪变允许值 17
3.3功率因数 17
4．执行标准 18
5．待补偿负荷分析 19
5.1．补偿方式 19
5.2．补偿容量 19
6．一次方案设计 21
6.1．MSF补偿装置的基本性能参数 21
6.2．MSF装置投运效果 22
6.3．系统的电压波动 24
6.4．系统的功率因数 24
6.5.补偿兼滤波装置（MSF投入使用后产生的经济效应） 24
6.6.结论 26
7. 元件参数选型 27
8. MST装置及描述说明 28
8.1产品简介 28
8.2使用条件 28
8.3技术参数 28

一.测试报告
此部分的测试报告及解决方案均针对我司工程师在广州李坑垃圾发电厂所测试的1#变压器(2000KVA)、2#变压器（2000KVA）、3#变压器（2000KVA）低压配电系统所得的电能质量数据。
1、测试时间：
2021年05月31日
2、测试地点：
测试点为：广州李坑垃圾发电厂1#变压器(2000KVA)、2#变压器（2000KVA）、3#变压器（2000KVA）配电系统低压侧总出线端。
3、测试仪器：
美国Fluke 434电能质量测试仪器
4、测试目的：
通过对广州李坑垃圾发电厂厂1#变压器(2000KVA)、2#变压器（2000KVA）、3#变压器（2000KVA）的配电系统低压侧进行电能质量测试，了解目前广州李坑垃圾发电配电系统低压侧所存在的电能质量问题。通过我司工程师在现场对广州李坑垃圾发电厂配电系统低压侧的电能质量测试，为广州李坑垃圾发电厂配电系统低压侧的电能质量改造及节能减排掌握了第一手材料和设计依据。
5、测试单位：
广州高澜节能技术股份
6、测试人员：
广州高澜节能技术股份：付磊、陈志杰、任伟平、李勇7、测试数据及现场情况分析：
1#变压器的配电系统低压侧测试数据及现场情况分析：
AB相
BC相
CA相
N
--
--
--

图1电压波形

图2电流波形

图3电压畸变柱状图

图4电压畸变表格

图5电流畸变柱状图

图6电流畸变表格

图7电流畸变柱状图5次谐波电流

图8功能与电能

从图1可以看出电压波形虽为明显的正弦波，但是波形却不是那么平滑略有畸变；图2表明电流波形呈双驼峰，发生了严重的畸变。
从图3、4得知：电压总畸变率为6.2%，其中5次、7次、11次、13次畸变率分别为4.9%、2.0%、2.7%、2.2%。可以看出其主要的电压畸变率主要是以5次为主。
从图5、6中可以看出电流畸变率十分严重，其中5次、7次、11次、13次畸变率分别为11.0%、3.0%、2.7%、1.9%，以5次电流畸变为主。图7表明5次谐波电流绝对值为250.7A。
图8表明：1#变压器在我司工程师进行电能质量测试时，有功功率为1336kw无功功率为605.1kvar视在功率为1471KVA。
2#变压器的配电系统低压侧测试数据及现场情况分析：
AB相
BC相
CA相
N
--
--
--

图9电压波形

图10电流波形

图11电压畸变柱状图

图12电压畸变表格

图13电流畸变柱状图

图14电流畸变表格

图15电流畸变柱状图5次谐波电流

图18功能与电能

从图9可以看出电压波形虽为明显的正弦波，但是波形却不是那么平滑略有畸变；图2表明电流波形呈双驼峰，发生了严重的畸变。
从图10、11得知：电压总畸变率为6.6%，其中5次、7次、11次、13次畸变率分别为5.2%、2.1%、2.3%、1.9%。可以看出其主要的电压畸变率主要是以5次为主。
从图12、13中可以看出电流畸变率十分严重，其中5次、7次、11次、13次畸变率分别为15.6%、4.8%、3.5%、2.3%，以5次电流畸变为主。图15表明5次谐波电流绝对值为259.5A。
图16表明：1#变压器在我司工程师进行电能质量测试时，有功功率为998.5kw无功功率为488.6kvar视在功率为1118KVA。
3#变压器的配电系统低压侧测试数据及现场情况分析：
AB相
BC相
CA相
N
--
--
--

图17电压波形

图18电流波形

图19电压畸变柱状图

图20电压畸变表格

图21电流畸变柱状图

图21电流畸变表格

图22电流畸变柱状图5次谐波电流

图23功能与电能

从图17可以看出电压波形为明显的正弦波，波形平滑无明显的畸变；图2表明电流波形呈较为明显双驼峰，电流波形发生了畸变。
从图18、19得知：电压总畸变率为2.1%，其中5次、7次、11次、13次畸变率分别为1.7%、0.8%、0.6%、0.4%。可以看出其主要的电压畸变率主要是以5次为主。
从图12、13中可以看出电流畸变率十分严重，其中5次、7次、11次、13次畸变率分别为7.7%、2.4%、1.5%、0.7%，以5次电流畸变为主。图15表明5次谐波电流绝对值为86.4A。
图16表明：1#变压器在我司工程师进行电能质量测试时，有功功率为727.7kw无功功率为286.4kvar视在功率为0.93KVA。
测试结论：
从上述我司工程师在广州李坑垃圾发电厂1-3#变压器低压侧电能质量数据测试分析可得以下结论，变压器低压侧出线功率因数低于国标，无功功率容量的绝对值较大（1#-3#变压器分别为605.1kvar、488kvar、286.4kvar）占视在功率和变压器容量的很大一部分。如对其进行适当的补偿措施，可以增大变压器有功功率的容量提高变压器及输电线路的出力；减小配电线路的损耗达到一定的节能效果；稳定受电端及电网电压，提高供电质量。变压器低压侧出线端电压及电流波形畸变严重，谐波电流含量高（超出国家标准）、绝对值大（1#-3#变压器5次谐波分别为250.7A、259.5A、86.4A）。
综上所述：广州李坑垃圾发电厂配电系统低压侧所存在的电能质量问题具体如下：
——功率因数低
——谐波电流含量高
谐波及无功功率不足可能导致以下问题：
l 加大线路损耗，使电缆过热，绝缘老化，降低电源效率。
l 使电容器过载发热，加速电容器老化甚至击穿。
l 保护装置的误动或拒动，导致区域性停电事故。
l 造成电网谐振。
l 影响电动机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命。
l 损坏电网中敏感设备。
l 使电力系统各种测量仪表产生误差。
l 对通讯、电子类设备产生干扰；引起控制系统故障或失灵。
l 零序谐波导致中性线过大，造成中性线发热甚至火宅。
l 无功功率的不足，会增加设备容量，导致电流增大和视在功率的增加，从而使变压器及其他设备和导线的容量增加。
l 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，使设备及线路的耗损增加。
l 谐波对变压器及旋转电机的危害：主要是引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。这些都将缩短电机的寿命，情况严重会损坏电机。

综上所述：
合理的治理措施可以提高供电质量，保障接入设备的安全运行，而且具有节省电能的效果。因此，对广州李坑垃圾发电厂提出以下整改意见:
从上述测试数据的分析来看，广州李坑垃圾发电厂1#-3#变压器配电系统的功率因数都较低且无功功率绝对值偏大；谐波含量较大。大量的5次、7次、11次、13次谐波电流，致使电流波形发生畸变，导致配电系统电能质量较差，降低电网供电及用电设备用电的可靠性这就要求客户安装滤波及无功补偿装置。

二.解决方案
1. 概述
广州李坑垃圾发电厂是接本厂自发电的10KV供电系统经电力变压器变为0.4KV接入用电车间。广州李坑垃圾发电厂1#-3#变压器容量均为2000KVA，其主要的供电负荷为大功率、变频器-电机、锅炉等非线性负荷。
广州李坑垃圾发电厂主要谐波源设备为变频器-电机。变频器采用的是电动机驱动，配以变频调速装置，即把工频交流电通过三相整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可调控的交流电。这种调速驱动装置主要应用在大功率的电机，可提高它们的工作效率，同时有显著的节约电能的效果。而变频器采用的主要电路结构是“整流器—电容/电感器—逆变器”： 直流电机则是配以可控硅斩波逆变整流带着电机启动：这其中无论是整流器或是逆变器都具有非线性特性，会产生高次谐波，这种高次谐波会使输入电源的电压波形和电流波形发生畸变。广州李坑垃圾发电厂变压器低压侧原先所带的滤波装置由于其本身并没有在测得广州李坑垃圾发电厂具体运行的数据，其设计支撑力不足所以就存其本身的设计缺陷，导致其谐波电流的承受能力较小，导致电容器机电抗器长期工作在过电流及过热的工作状态下致电容器频繁损坏，电容值及电抗值偏差越来越大。我司经过现场所得数据进行推算得出结果就是：滤波器偏离了广州李坑垃圾发电厂本身存在的谐波问题引起11次谐波谐振，对11次谐波电流放大严重。
本技术方案用于广州李坑垃圾发电厂0.4KV配电母线谐波电流治理,旨在提供1#-3#变压器低压侧个提供1套接触器投切无功补偿兼滤波装置(简称MSF) 。MSF解决用户0.4KV侧配电母线存在的以下电能质量问题:
—抑制谐波电流
—提高功率因数
MSF投运后，用户注入公用电网连接点（PCC点10kV）的谐波电流满足国标GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的有关规。

2．待补偿负荷介绍
广州李坑垃圾发电厂主要谐波源设备为变频器-电机。电机采用的是变频器驱动，配以变频调速装置，即把工频交流电通过三相整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可调控的交流电。这种调速驱动装置主要应用在大功率的电机上，可提高它们的工作效率，同时有显著的节约电能的效果。而变频器采用的主要电路结构是“整流器—电容/电感器—逆变器”： 直流电机则是配以可控硅斩波逆变整流带着电机启动：这其中无论是整流器或是逆变器都具有非线性特性，这种高次谐波会使输入电源的电压波形和电流波形发生畸变。谐波会对各种电力、电子设备产生影响，不仅产生损耗和浪费，严重的还将导致无法正常生产，而且对相邻用户设备造成影响，污染电网供电质量，同时，由于谐波电流的能量也是来自供电系统提供的基波能量，故会造成一定的能量损失。合理的补偿措施可以提高供电质量，保障接入的设备安全运行，而且可以显著节省电能。
由于谐波电流含量过大，所以我司工程师根据我司工程师在现场所测试的数据及了解的具体用电情况，拟在广州李坑垃圾发电厂1#-3#变压器低压端（0.4KV侧）各安装一套接触器投切无功补偿兼滤波装置（MSF），装设MSF的目的是：
——提高系统的功率因数；
——抑制配电母线上负荷产生的谐波电流、改善电能质量。
3. 设计依据
根据国家电能质量有关标准，广州李坑垃圾发电厂1#-3#变压器低压配电母线0.4kV母线的允许电能质量指标如下：
3.1 谐波电流
从上图5（因为1#、2#变压器型号及低压侧负荷情况基本一致，所以在次我们以1#变为列）可以得知：1#变压器流入PCC点（公共电网）的谐波电流为：
谐波次数
3
5
7
9
11
13
谐波电流值
26.86
250.7
70.5
8.95
60.2
43.0
谐波电流限值
65.25
68.77
53.00
29.35
22.36
32.93
根据国家标准《电能质量—公用电网谐波》GB/T 14549-93要求，据公共连接点最小短路容量、供电设备容量及用电协议容量进行换算。得知广州李坑垃圾发电厂1#变压器低压侧谐波电流5次、7次、11次、13次都严重出国家标准。

3.2电压波动和闪变允许值
执行标准：
GB12326-2000 电能质量 电压波动和闪变
GB/T 15543-1995 电能质量 三相电压允许不平衡度
3.3功率因数
我国原电力工业部在1996年10月以中华人民共和国电力工业部第8号令的方式发布实施的《供电营业规则》对电力系统功率因数的要求，设备投入使用后其功率因数应达到0.90

4．执行标准
我公司所供所有设备的设计和制造采用国际米制标准，所有文件、图纸、手册和试验证书中的数据单位同样也采用国际米制。
GB7251-81 低压成套开关设备
GB50227-95 并联电容器成套装置设计规范
JB5346-1998 串联电抗器
IEC439-1 低压成套开关设备和控制设备
GB/T 15576-1995 低压无功功率静态补偿装置总技术条件
GB 6162-1985 静态继电器及保护装置的电气干扰试验
GB/T 2424-1992 电工电子产品基本环境试验规程
GB 7261-1987 继电器及继电保护装置基本试验方法
GB 50227-1995 并联电容器装置设计规范
JB 7113-1993 低压并联电容器装置
JB 7115-1993 低压无功就地补偿装置
GB 11032-1989 交流无间隙金属氧化物避雷器
GB 4208-1993 外壳防护等级

5．待补偿负荷分析
5.1．补偿方式
广州李坑垃圾发电厂主要谐波源设备为变频器-电机。变频器采用的是电动机驱动，配以变频调速装置，即把工频交流电通过三相整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可调控的交流电。这种调速驱动装置主要应用在大功率的电机，可提高它们的工作效率，同时有显著的节约电能的效果。而变频器采用的主要电路结构是“整流器—电容/电感器—逆变器”： 直流电机则是配以可控硅斩波逆变整流带着电机启动，这其中无论是整流器或是逆变器都具有非线性特性，会产生高次谐波，这种高次谐波会使输入电源的电压波形和电流波形发生畸变。因为变频器采用的是6脉动整流时其特征谐波的次数为6K±1。所以联华林德气体（北京）用电设备产生的谐波电流以5.、7、9次为主。
MSF装置以抑制5次谐波电流为主，兼顾对7次、11次、13次等其他高次谐波电流的治理方式，使整个流入系统的谐波电流值满足国标的要求。
整体方案： 0.4kV加装1套经无功补偿控制器控制的由电抗器以及电容器构成LC补偿滤波支路，用来提高系统功率因数和抑制负荷产生的谐波。
5.2．补偿容量
根据我司工程师在广州李坑垃圾发电厂1#变压器低压侧（0.4KV）测得电能质量数据，目前广州李坑垃圾发电厂待治理电能质量如下图所示：

图24电流畸变柱状图
根据上图5可以看出，广州李坑垃圾发电厂1#变压器低压侧的主要的谐波是以5、7、11、13为主，故我司MSF装置采用电抗器与电容器组成LC补偿支路，用来抑制系统所产生的谐波电流。

图25功率与电能
根据我司工程师在现场所了解的情况得知，广州李坑垃圾发电厂1#变压器所带的总功率近1500kw的负荷1#变压器的容量为2000KVA的动力变压器。图25中我司工程师测试时有功功率为1336KW，可见我司工程师进行电能质量测试时1#变压器几近满负载。
根据图25以及我司以往治理相似负荷工程经验和理论计算，广州李坑垃圾发电厂动力变压器低压侧系统的功率因数要提高到0.95以上并使谐波电流允许值达到国家标准以内。则MSF的补偿容量容量为1620kvar。以上均以1#变压器为列,据我司在现场向工作人员了解的情况可知,1#-3#变压器参数与负载情况基本一致,2#变容量略小所以补偿容量为1080kvar；3#变补偿容量为540kvar。

6．一次方案设计
6.1．MSF补偿装置的基本性能参数

装置型号 MSF-1620/0.4
额定电压： 0.4kV
额定容量： 1620kvar
投切级数 3
额定频率： 50Hz
数量 1套

装置型号 MSF-1080/0.4
额定电压： 0.4kV
额定容量： 1080kvar
投切级数 2
额定频率： 50Hz
数量 1套

装置型号 MSF-540/0.4
额定电压： 0.4kV
额定容量： 540kvar
投切级数 1
额定频率： 50Hz
数量 1套

图26 MSF-1620/0.4 一次系统图（虚线内为供货范围）

6.2．MSF装置投运效果
MSF装置投运后将对0.4KV侧负载所产生的谐波电流有一定的滤除作用，待我司工程师将了解到详细参数后，通过对方案改进，可以使谐波电流达到国标的允许值内。
当系统中加入MST装置后，系统的谐波情况及谐波阻抗特性如下：图27所示为0.4kV母线侧的谐波阻抗。图中，蓝色曲线为接入MST时的系统谐波阻抗值，红色曲线为未接入MST时的系统谐波阻抗值。图28所示为流入系统侧的谐波电流放大倍数。

图27（母线侧的谐波阻抗频谱图）

图28（流入系统侧的谐波电流放大倍数）
从仿真图上可以看出，在加入MST无功补偿滤波装置后，针对高次谐波的阻抗值明显缩小，5次谐波电流放大倍数也降低到0.12倍以下，所以MST装置能够有效地滤除高次谐波，使系统的无功损耗变小，有效地节省电能，改善负载设备的不良用电损耗。在5次谐波以后的奇波电流的放大倍数也都在在1倍以下，很好的起到了抑制谐波的作用，不产生谐振。
MSF投入使用后1#变压器注入PCC点的谐波电流如下：
谐波次数
3
5
7
9
11
13
谐波电流值
47.99
31.74
30
4
32
24
谐波电流限值
65.25
68.77
53.00
29.35
22.36
32.93
经仿真效果得知：MSF投入使用后原先超标的5、7、11、13谐波都满足国家标准。可见MSF据有非常好的滤波效果。
6.3．系统的电压波动
经理论推导，治理后0.4kV母线的电压波动将降至2％以下，完全符合国标要求。
6.4．系统的功率因数
经理论推导，治理后0.4kV母线的功率因数可达到0.90以上完全符合国标要求。
6.5.补偿兼滤波装置（MSF投入使用后产生的经济效应）

图29 功率与电能
从上图可以得知：补偿前的有功功率为P=1336kw、S=1471KVA、Q=605kvar。我们设：电网进线到车间的电缆距离为2KM，选用的高压电缆型号为，YJV-10KV/3*50，在20度下的直流电阻为0.641/KM。
则补偿前的线损为：
A=1471÷10÷√3≈85A; R=0.641×2=1.282; 线损P=3I2R=3×852 ×1.282= 27787.35W≈28KW.
则补偿后的线损为：
A=1336÷10÷√3≈77A; R=0.641×2=1.282; 线损P=3I2R=3×772 ×1.282= 27787.35W≈22KW.
假如1#变全年运行，则节约损耗为：（28-22）×24×365=52560kw/h
因上述无功损耗我们以1#为列，所以谐波损耗我们就以2#为列：设：电网进线到车间的电缆距离为2KM，选用的高压电缆型号为，YJV-10KV/3*50，在20度下的直流电阻为0.641/KM。

图30谐波柱状图

图31功率与电能
补偿前的谐波电流及损耗：
从图30可以看出5次谐波电流为259.5A，则基波电流I1= I5÷16.2%≈1602A;图31表明总电流有效值为1757A,所以谐波总有效值为1757-1602=155A。
损耗为：1757为低压电流择换成高压电流为70A; R=0.641×2=1.282; 线损P=3I2R=3×702 ×1.282= 188454W≈19KW.
补偿后的谐波电流：
谐波次数
3
5
7
9
11
13
谐波电流值
47.99
31.74
30
4
32
24
谐波电流限值
65.25
68.77
53.00
29.35
22.36
32.93
根据MSF仿真效果图可以看出，MSF装置投入使用后5、7、11、13次谐波数值如上，则依据GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》叠加公式（h=3时K=1.62，h=5时K=1.28，h=7时K=0.72，h=11时K=0.18），进行叠加。则 基波电流有效值不变。I1=1602A
加装滤波器MSF后电流有效值为：
I总≈8%；1602×8%≈128。I=√1282+16022=1607A.
损耗为：1067为低压电流择换成高压电流为64A; R=0.641×2=1.282; 线损P=3I2R=3×642 ×1.282= 188454W≈15KW.
所以加装MSF滤波器以后，功率损耗减小为（19kw-15kw）×24×365=35040kw/h
综上所述：1#变压器的线损则为：
无功线损+谐波线损=总线损；52560kw/h+35040kw/h=87600kw/h。
6.6.结论
综上所述，本技术方案所设计的MSF补偿装置的投入，对改善电网及用户供电系统的电能质量、提高功率因数、稳定电网运行水平起到积极重要的作用。

7. 元件参数选型
Ø 断路器
Ø 氧化锌避雷器
Ø 滤波电容器
Ø 滤波电抗器
Ø 低压接触器
Ø 单相干式电流互感器
Ø 控制器
Ø 温度控制器
Ø 显示仪表
Ø 柜体

8. MST装置及描述说明
8.1产品简介
接触器动态投切无功补偿兼滤波装置（简称MST）是广州高澜节能技术股份专业生产的，用于需要进行滤波和无功功率补偿的配电系统中，采用接触器跟踪投切由滤波电容器和滤波电抗器组成的串联调谐支路，滤除系统中谐波电流，改善电压波形畸变，快速跟踪系统无功电流的变化，就地进行无功补偿的电气装置。
装置有效提高供电系统的稳定性，保证电网质量，适用于电力、冶金、煤矿、铁道、石油、机械、化工等需要滤除谐波，并对无功进行自动补偿的场所。
8.2使用条件
1．环境温度
控制器：户内，-5℃～+35℃；
接触器：户内，-25℃～+40℃；
滤波电抗器：户内，-25℃～+40℃；
滤波电容器：户内，-25℃～+45℃；
2．空气相对湿度：不超过90%
3．高度：海拔1000m以下
4．安装场所：无火灾、爆炸危险，无导电尘埃，无腐蚀金属或破坏绝缘的气体或蒸汽。
8.3技术参数
1. 型号： MST-1620/0.4
2. 额定电压： 0.4kV；
3. 额定容量： 1620kvar；
4. 数量 1套
5. 投切档位： 3
6. 投切方式： 循环投切
7. 额定频率： 50 Hz
8. 冷却方式： 强迫风冷
9. 柜型： GCK
10. 防护等级： IP20
1. 型号： MST-1080/0.4
2. 额定电压： 0.4kV；
3. 额定容量： 1080kvar；
4. 数量 1套
5. 投切档位： 2
6. 投切方式： 循环投切
7. 额定频率： 50 Hz
8. 冷却方式： 强迫风冷
9. 柜型： GCK
10. 防护等级： IP20

1. 型号： MST-540/0.4
2. 额定电压： 0.4kV；
3. 额定容量： 540kvar；
4. 数量 1套
5. 投切档位： 1
6. 投切方式： 循环投切
7. 额定频率： 50 Hz
8. 冷却方式： 强迫风冷
9. 柜型： GCK
10. 防护等级： IP20