水處理行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案

安科瑞 陳聰

摘要：在水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)中，涉及曝氣風(fēng)機(jī)、提升泵、污泥脫水設(shè)備等感性負(fù)荷設(shè)備，導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較多無(wú)功功率和大量的諧波，使部分設(shè)備表現(xiàn)出輕載或不滿載運(yùn)行狀況降低功率因數(shù)，以及諧波對(duì)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(duì)電能質(zhì)量的重視，通過(guò)有效的無(wú)功補(bǔ)償、諧波治理措施，調(diào)節(jié)功率因數(shù)和濾除諧波，從而節(jié)能降耗。

關(guān)鍵詞：水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)；無(wú)功功率；諧波；功率因數(shù)；電能質(zhì)量

1引言

在配電系統(tǒng)中，如果容量過(guò)大，技術(shù)人員會(huì)配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，用于提升設(shè)備的功率因數(shù)，減少配電網(wǎng)的損耗。在某污水處理廠中，檢測(cè)人員對(duì)變壓器進(jìn)行短時(shí)間檢測(cè)，雖然檢測(cè)結(jié)果表明，變壓器在負(fù)載低于25%的工況下，功率因數(shù)大于0.9，總諧波畸變率低于5%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果與檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析該污水處理廠在無(wú)功補(bǔ)償方面仍存在不足。工藝設(shè)備中負(fù)荷重要的設(shè)備(重要工段的水泵、鼓風(fēng)機(jī)等)和設(shè)備組(污泥脫水及干化系統(tǒng) 、加藥系統(tǒng)等)均由變配電室0.4kV系統(tǒng)放射式供電。

2水處理行業(yè)諧波源分析

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(jī)、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(jī)構(gòu)、控制部件都是典型的非線性負(fù)載，會(huì)產(chǎn)生20%-50%的諧波流入配電系統(tǒng)，污染電網(wǎng)，不僅會(huì)對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償設(shè)備造成潛在影響還會(huì)影響各類電氣設(shè)備正常運(yùn)行，降低系統(tǒng)效率，增加電力成本。

圖1 污水處理流程圖

3 諧波的影響

3.1諧波對(duì)電網(wǎng)的影響

導(dǎo)致電網(wǎng)功率消耗變大、設(shè)備試用時(shí)間降低、接地保護(hù)功能和遙控功能出現(xiàn)異常、線路與設(shè)備熱量變大等，特別是三次諧波導(dǎo)致非常大的中性線電流，造成配電變壓器零線電流大于相線電流數(shù)值，致使設(shè)備不能平穩(wěn)運(yùn)行。因此，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生，則會(huì)將運(yùn)行正常的供電停止、情況嚴(yán)重、電網(wǎng)解裂等情況發(fā)生。諧振造成變電站局部并聯(lián)與串聯(lián)，致使電壓互感器設(shè)施損壞；造成變電站系統(tǒng)當(dāng)中的設(shè)備與元件生成附加的諧波損耗，導(dǎo)致電力變壓器、電力電纜、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備溫度上升，電容器損壞，進(jìn)而促進(jìn)了絕緣材料發(fā)生質(zhì)變的速率

3.2對(duì)變壓器的影響

諧波會(huì)增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗（線圈渦流損耗），可能在變壓器繞阻和線電容之間產(chǎn)生諧振，變大變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴(yán)重過(guò)熱，同時(shí)使變壓器噪聲變大，減少變壓器的實(shí)際使用容量，降低變壓器的使用壽命。

3.3對(duì)電容柜的影響

在諧波的作用下電容器將過(guò)熱，導(dǎo)致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當(dāng)諧波次數(shù)較高時(shí)，電容器呈現(xiàn)低阻抗特性，流過(guò)電容器的電流將變大，使得電容器處在過(guò)載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會(huì)使電容器介質(zhì)損耗增加，其直接后果是額外的發(fā)熱和壽命縮短。電容器和電源電感結(jié)合也會(huì)構(gòu)成并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路，在諧振情況下諧波電流會(huì)被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，最終導(dǎo)致電壓會(huì)大大高于電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護(hù)熔斷器熔絲熔斷。

4水處理行業(yè)電能質(zhì)量檢測(cè)和治理系統(tǒng)解決方案

4.1行業(yè)特征

l 對(duì)電能質(zhì)量的要求較高；

l 負(fù)載中包含不同種類的諧波源，配電諧波的含量較高；

l 諧波主要以2N±1次諧波為主；

4.2解決方案

水處理行業(yè)主要以污水處理廠為主，隨著城市的發(fā)展，各個(gè)城市對(duì)水處理也逐漸重視起來(lái)，對(duì)于老廠會(huì)進(jìn)行設(shè)備更新，發(fā)展較快的會(huì)擴(kuò)廠增加設(shè)備。水處理廠配備大量抽送水泵，過(guò)濾設(shè)備，自動(dòng)處理設(shè)備，這些設(shè)備共同的特點(diǎn)是：設(shè)備運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量的諧波；對(duì)電源質(zhì)量要求很高。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中如果存在大量的諧波，會(huì)使電壓、電流波形發(fā)生畸變，影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。同時(shí)還對(duì)其它供電及用電設(shè)備造成危害，縮短設(shè)備使用壽命，干擾重要設(shè)備的正常工作。水處理設(shè)備用電系統(tǒng)的諧波治理已成為行業(yè)發(fā)展所需要考慮的問(wèn)題。

安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運(yùn)維與電能質(zhì)量治理等方面的需求，致力于為水處理行業(yè)用戶提供一站式的整體解決方案，從產(chǎn)品、系統(tǒng)、服務(wù)等不同方面來(lái)滿足用戶的需要。為用戶創(chuàng)造價(jià)值。

4.3方案特點(diǎn)

l 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)即可通過(guò)本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能，亦可通過(guò)接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)；

l 符合GB/T17626.30-2012中A 級(jí)準(zhǔn)確度測(cè)量方法，適用于要求準(zhǔn)確測(cè)量電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)的場(chǎng)合；

l 專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)：電能質(zhì)量實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，測(cè)量精度高、測(cè)得準(zhǔn)，符合 IEC61000-4-30標(biāo)準(zhǔn)；

l 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理裝置信息互聯(lián)，通過(guò)統(tǒng)一平臺(tái)管理，方便用戶同時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數(shù)據(jù)；

l 采用三電平電力電子驅(qū)動(dòng)器件，通過(guò)更多的電平輸出更高品質(zhì)的治理波形。

5安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理產(chǎn)品選型

5.1集中治理

針對(duì)水處理行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的曝氣風(fēng)機(jī)、提升泵、污泥脫水設(shè)備以及干化成套設(shè)備泵等電器設(shè)備及數(shù)量較多的變頻器設(shè)備，為減少諧波對(duì)電網(wǎng)側(cè)的危害和影響，同時(shí)確保無(wú)功功率因數(shù)達(dá)到國(guó)標(biāo)要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時(shí)也可對(duì)整個(gè)低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降、暫升、中斷、閃變監(jiān)測(cè)等，其集中治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表1。

表1電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)及集中治理產(chǎn)品選型表

5.2就地治理

曝氣風(fēng)機(jī)、水泵等末端設(shè)備，運(yùn)行過(guò)程中不可避免的對(duì)整個(gè)供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染，電流畸變率一般會(huì)達(dá)到30%~50%。同時(shí)辦公樓照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調(diào)光器等，此類照明裝置主要負(fù)荷類型為開(kāi)關(guān)電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線進(jìn)行疊加，導(dǎo)致N線電流過(guò)大。針對(duì)以上負(fù)載情況，建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行就地治理，達(dá)到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個(gè)配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。

表2就地治理的產(chǎn)品選型見(jiàn)表2

5.3電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)

（1）平臺(tái)拓?fù)?/span>

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)平臺(tái)主要由電能質(zhì)量治理設(shè)備、物理網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器及服務(wù)終端四部分組成，其中電能質(zhì)量治理設(shè)備作為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)?，物理網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行策略功能分配，數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器最終以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示。

（2）平臺(tái)展示

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、治理與設(shè)備運(yùn)維等功能外，亦可通過(guò)接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺(tái)，為用戶提供遠(yuǎn)程在線服務(wù)。

6水處理行業(yè)電能質(zhì)量案例及解決方案

6.1案例分析

湖南某污水處理廠一臺(tái)2000kva的變壓器，變壓器低壓側(cè)兩臺(tái)電容補(bǔ)償柜，補(bǔ)償容量為1000 kvar，柜內(nèi)為接觸器投切，且均為自動(dòng)投切。顯示異常的儀表在返廠檢修后發(fā)現(xiàn)儀表內(nèi)主板均有不同程度的損壞。根據(jù)上述事故發(fā)生后用電設(shè)備的損毀情況描述，結(jié)合該污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況，初步判斷是供配電系統(tǒng)有諧波擾問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，污水處理水廠委托第三方電能檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試。

主要監(jiān)測(cè)參量：交流電壓/電流有效值、電壓/電流相位不平衡、電壓/電流頻譜圖、總諧波畸變率、50次以內(nèi)的諧波含量、電壓/電流的峰值因數(shù)、電壓閃變、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、電壓/電流的瞬態(tài)值及波形。

電能質(zhì)量測(cè)試選取的三處測(cè)試點(diǎn)A/B/C的諧波監(jiān)測(cè)結(jié)果均不合格，針對(duì)該結(jié)果進(jìn)行以下具體分析：

（1） 測(cè)試點(diǎn)A為3臺(tái)152 kW的臭氧設(shè)備的電源進(jìn)線端，2用1備。在污水處理廠運(yùn)行期間，臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時(shí)，電流存在斷續(xù)工作的情況，諧波電流波動(dòng)范圍值為33  284 A（圖1），數(shù)值波動(dòng)很大，且變化周期短。在有電流工作狀態(tài)時(shí)，可以檢測(cè)到諧波電流，反之，無(wú)諧波電流。當(dāng)臭氧設(shè)備處于電流斷流和有電流交替的工作狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的諧波電流就會(huì)非常大。

（2）測(cè)試點(diǎn)B為4臺(tái)75 kW外排泵變頻柜的電源進(jìn)線端。經(jīng)測(cè)試，該變頻柜滿載后產(chǎn)生的諧波含量在35%左右，且返廠維修的5塊在線儀表的安裝位置都集中在外排泵的附近區(qū)域。變頻器的整流是通過(guò)使用晶閘管等非線性電力電子元件實(shí)現(xiàn)的，這種方式可以很好地滿足處理水量的變化和處理工藝的變化，提高污水處理的效率，但在變頻器輸入側(cè)和輸出側(cè)產(chǎn)生的諧波會(huì)直接影響整個(gè)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是在同一線路中裝有數(shù)量較多或功率較大的變頻器時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊就會(huì)更大。

（3）測(cè)試點(diǎn)C為變壓器二次側(cè)總出線端。受測(cè)試點(diǎn)A和B的諧波疊加影響，事故發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)中很有可能產(chǎn)生了局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，進(jìn)而使系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流值大大超過(guò)了測(cè)試點(diǎn)A處的電容柜內(nèi)電容器和電抗器的電流限值，導(dǎo)致部分投用的電容器和電抗器迅速燒毀，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)的其他用電設(shè)備也造成了不同程度的影響。

圖2 C點(diǎn)波形圖及各次諧波電流

6.2治理方案

原先電容柜替換為SVG靜止無(wú)功發(fā)生器，防止無(wú)功補(bǔ)償柜受諧波影響損壞電容，也防止發(fā)生諧振，從而導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償柜燒毀。容量按原先電容柜容量進(jìn)行替換，功率因數(shù)可達(dá)1，減少客戶電費(fèi)支出。

根據(jù)該污水處理廠電能質(zhì)量的實(shí)測(cè)結(jié)果，變壓器二次側(cè)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%，所以建議安裝有源濾波器。最終在我公司的建議下，在變壓器的出線側(cè)，安裝了1臺(tái)300A有源濾波器。

7結(jié)論

水處理行業(yè)中的設(shè)備普遍采用變頻器、電機(jī)、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(chǎng)設(shè)備帶來(lái)巨大危害。但水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波問(wèn)題一直沒(méi)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(jì)損失相當(dāng)巨大。通過(guò)對(duì)水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行研究，結(jié)合系統(tǒng)平臺(tái)提出合理的整體解決方案，對(duì)改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。