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电能质量

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RAPF

发布于:2016年12月30日 作者:佚名



    简介

    浙江容大电力设备制造有限公司创建于1994年,是一家专业从事高低压电气成套设备和低压电力有源滤波装置的生产厂家,位于风景秀丽的杭州市郊——富阳金桥工业功能区。

公司占地100余亩,注册资金5100万元,现有员工150余人,其中大专以上学历的员工80余人。公司先后通过ISO9001质量管理体系认证、 OHSAS18001职业健康安全管理体系和ISO14001环境管理体系认证。公司为信用AAA级企业、杭州市文明单位。

    公司整体布局合理、环境优美,拥有现代化厂房17000余平方米,主要大型生产设备为日本进口村田系列数控冲床、数控折弯机和数控剪板机。主要生产35kV及以下高低压电力成套开关设备和电力谐波治理设备。

    公司为“高新技术企业”、“浙江省成长型中小企业”和“杭州市最具成长型中小企业”。公司拥有“浙江省高新技术研究开发中心”1个、国家专利17项、国家电网公司科技成果1项、省市级新产品科技成果近20项。

    公司以“追求完美品质、取信天下客户”为企业宗旨,全力炼就电气领域的核心能力。我们运用多年丰富的专业经验,不断促进产业技术的进步,通过改善功率因数和抑制谐波来提高系统的设备利用率和可靠性,为客户创造显著的经济效益。

 

    概述

 

    随着国民经济的快速发展和电力电子技术的广泛应用,冶金、化工、钢铁、轻工、矿业、交通、通信、广电和公共设施等部门的各种非线性干扰性负荷迅速增长,诸如各种整流和电力换流装置、电弧炉、中频炉、变频装置、电力机车、磁饱和和磁力放大器的功率逆变装置、可控硅相位控制设备等接入电网,导致电力系统中高次谐波含量迅速增长,引起供电电压波形畸变,增加了线损和用电设备的损耗,降低了电能质量。由高次谐波引起的设备事故屡见不鲜。谐波已成为污染公用电网和危害其它设备的“公害”。高次谐波的危害主要表现为:

⑴谐波引起旋转电机的附加损耗和发热,严重时烧毁旋转电机;

⑵谐波电流在变压器绕组和线路传输中产生附加损耗,增加了网损;

⑶谐波使无功补偿电容器和其它电气设备因谐振或谐波放大而使其熔丝经常熔断而无法运行,严重时使电容器产生噪音、振动,并使其过热、过电压而损坏;

⑷谐波引起继电保护和自动装置的误动,严重时造成系统崩溃、用户停电事故;

⑸谐波对电能计量和测量仪表产生干扰,产生误差;

⑹高次谐波对通讯线路和控制信号产生电磁和射频干扰;

⑺谐波使电视机不但产生噪音,而且造成图像模糊等。

    近几年来许多厂矿企业大量使用可控硅整流和换流、电弧炉、中频炉等谐波干扰源负荷设备,这些设备在吸收大量无功功率,使用户的功率因数减低的同时,也使谐波问题日趋严重。1994年我国颁布了《电能质量 公用电网谐波》(GB/T 14549-93)的国家标准,对各级公用电网的谐波电压和用户注入电网的谐波电流均作出了明确的规定。原电力工业部于1998年也颁发了《电网电能质量技术监督管理的规定》,其中第五条指出:“因电网或用户用电原因引起的电能质量不符合国家标准时,按‘谁干扰,谁污染,谁治理’的原则及时处理,并贯穿于电网及用电设施设计、建设和生产的全过程。”各地供电部门也大多出台了响应的谐波限制措施,对谐波污染严重的企事业单位进行考核和治理。因此,滤除谐波、提高功率因数、延长设备寿命是这类企业节能降耗、提高生产效益和产品质量的当务之急。

    电力滤波装置把有害于其它电气设备的高次谐波加以消除,避免高次谐波对其它电气设备和电网造成危害,它具有改善供电质量、提高功率因数和设备利用率、节约能源降低损耗等多种功能。

    工作原理简介及与无源滤波的比较

    有源滤波装置并联于系统电网中,通过实时检测非线性负载产生的谐波电流和无功电流,快速产生与其大小相等,方向相反的补偿电流IF并注入系统,达到滤除谐波并改善功率因数的目的。

系统示意图如下:

 

    有源和无源的比较

    目前电力滤波从技术上讲,分为无源滤波和有源滤波,下面从滤波技术原理、技术优缺点、效果、可靠性、售后服务方面对二者作一对比分析:

    1.无源滤波技术。

(1)技术原理:目前大量应用由交流电抗器和电容器组成的所谓“LC无源滤波器”,其利用LC的谐振特性,在阻抗分流回路中对谐波形成低阻回路,以滤去高次谐波。

(2)技术缺点及实例:①设计无源滤波器前期要进行大量的测试工作,而这些测试和设计也只是在系统特定时期的工作状况时进行的,当系统运行状况及参数有些许变化时,就有可能导致整个滤波装置设计工作趋于失败。实例:某特种电讯器材厂采用5711次无源支路治理谐波,初期效果达标,后由于该厂改用一台其他型号的中频加热拉丝机,负载参数改变,滤波效果大大下降,达不到国标要求。某茶类机械厂,中频炉负载,该厂采用了某公司的无源滤波,结果该厂在实际运行中变压器存在不规则的严重超负载运行的情况,导致滤波支路电流远超其额定电流而不得不退出滤波装置的运行,合同随即中止,设备退回。②由于谐波企业的高次谐波的范围较大,一般不可能是单纯的5711次,而对于无源滤波器来说,考虑到成本与体积的原因,又不可能为每次的高次谐波设计回路,所以说无源滤波只能说是在一定程度上对特定次谐波的抑制,对系统中存在的其他高次谐波无能为力。③无源滤波器的滤波效果将随用电设备运行情况而改变,特别是对交流电源和负载的阻抗变化极其敏感,在这种情况下也难以保证滤波效果。特别是在一个复杂的电力系统中,这两个参数的变化难以精确预知,因此一个实际的无源滤波器要实现高的谐波衰减是困难的。④负载或功率因数剧烈变化的情况下不能使用,实例:某钢构厂,直流电焊机负载,配电房装有无源滤波装置,功率因数从超前0.5到滞后0.5剧烈变化,导致无源支路频繁投切,投入支路后功率因数超前,切除后失去滤波效果,且功率因数滞后0.5,无法正常工作。⑤在负载自然功率因数较高时支路无法投入,不能使用。

(3)效果:一般无源滤波器谐波支路对谐波的吸收率在5060%左右。另外在运行中,设计高次谐波支路也会导致系统中低次谐波电流的放大,可能导致系统谐振,另外无源设备的投入可以下降某几次特定谐波电流,但对最终滤波效果的数据无法做出承诺。

(4)可靠性:当系统阻抗参数和频率变化时滤波器可能与系统发生并联谐振(从负载侧看)和串联谐振(从电源侧看),使滤波器无法正常投入运行,严重时将导致局部电网的崩溃。由于LC支路的谐波阻抗低,系统中的背景谐波容易引入LC支路导致支路过载而引发故障。

(5)故障维护:一旦无源滤波器在运行中出现故障,整个滤波装置将要退出运行。另外滤波器体形庞大,其中的LC元件定货周期较长,整个柜体的故障维修周期也相应较长。

(6)当负载设备增容或负载运行方式改变导致谐波电流较测试时有所增大时,往往使得治理效果达不到治理目标,在该种情况下,采用无源方案需要重新测试和设计,原滤波设备不能使用,整个方案必须推倒重来。

2.有源滤波技术

(1)技术原理:电力有源滤波装置根据动态补偿谐波的原理,应用现代电力电子器件和计算机技术,快速跟踪谐波源产生的谐波,由装置发出反向电流将其抵消,达到同时滤除多种成份谐波的目的。是目前解决谐波问题最有效的一种装置,它具有改善供电质量、提高功率因数和设备利用率、节约能源降低损耗等多种功能。

(2)技术优势:①从装置的设计上本身不需要根据现场的检测数据来设计,初期的现场测试只是为了确定本装置的配置容量;②能够补偿变化的谐波,滤波范围广,能够动态补偿260次的谐波,动态响应速度快,小于20ms;③能够自动补偿幅值和频率变化的谐波,且滤波效果好,滤波效果有保证,滤波后系统电流几乎为正弦波,且对电力系统适应强,与负载特性无关。不会导致系统谐振等问题。

(3)效果:效果可控,考虑成本因素,也可以达标为目标,减少配置容量,降低成本。

(4)可靠性:采用智能型IGBT模块,内置保护有:短路、自动限流、过热、驱动欠压、直流母线过压。多模块之间不存在主从关系,即使单个模块故障也不影响其他滤波模块的正常工作。由于有源滤波为受控电流源,其阻抗相当大,系统背景谐波不会流入滤波装置,故对背景谐波的抵御能力很强。

(5)故障维护:模块化设计每个模块,采用电力级接插件,支持热拔插,安装和售后服务方便,只需直接以拔插的方式更换损坏的模块即可,维修简单、方便、快捷,维修期间装置仍然正常运行,更换模块只需一分钟。

 

    依据标准

  GB/T-14549-93  电能质量 公用电网谐波

  GB17625.6-2003  低压电气设备产生的谐波电

     流限值

  Q/ZRD01-2006  RAPF电力有源滤波装置企业

     标准(技术监督局备案)

  GB 4208-93  外壳防护等级

  GB 3797-89  电控设备第二部分:装有电子器

     件的电控设备

        GB 7251-97  低压成套开关设备和控制设备

 

    使用环境条件

1、安装运行地区的海拔应不超过2000m

2、户内使用,并且室内通风良好,周围空气温度不

     高于+45℃,不低于-25℃。

3、空气的相对湿度不超过95%+20℃),无凝露。

4、周围无严重尘埃、无爆炸危险介质、无腐蚀金属

     和破坏绝缘的有害气体、无严重霉菌。

5、无强烈振荡与冲击。

 

    技术参数

 

  三相四线制(ABCN);

  取样电流A05ACT二次电流);

  额定电压:460V

  单柜最大输出电流容量(有效值):200A

  单组模块额定电流50A

  组合方案:14组模块;

  动态响应:100us内响应,20ms内完全跟踪;

  滤波范围:2-60次;

  防护等级:IP20

  噪音:≤30dB

  自动限流,不发生过载;

  不发生谐振;

  可根据需要设置为:补偿全频谱谐波、补偿特定次

     数谐波的组合、同时补偿谐波和无功;

  采用智能型IGBT模块,内置保护有:短路、过热、

     驱动欠压、直流母线过压、可靠性极高;

  自动限流:当谐波电流超过额定电流时,不关闭输

     出,而是自动限流于额定值,最大限度地保证了安

     全性和治理效果。

 

    结构特点及外形尺寸   

    本公司设计的滤波装置采用滤波模块并联的设计思想,单模块为单相结构(LN),三个模块为一组(即每相各一个为一组),单台滤波装置最多由4组滤波模块构成,额定电流为200A1组、2组、3组模块构成,分别对应额定电流50A100A150A。模块均有独立的控制电路和主电路,各模块间无主从关系,互不影响,设计冗余度大,系统可靠性极高;无需现场检测数据,即装即用;容量扩展容易,只需直接并联即可;采用电力级接插件,支持热拔插,安装和售后服务方便,只需直接更换损坏的模块即可。

关键件的选取上,我们选取了进口的三菱IGBT模块及BHC RIFA电容,提高模块的可靠性。

尺寸(宽xx高)  8001000x8001000x2200

 

    操作说明

    RAPF-低压电力有源滤波装置

    对于模块化有源滤波装置,操作上可分为整机操作和模块操作两部分,以下分别进行说明:

    1、整机操作:

    对于调试完毕的滤波系统,用户所需关心的只是开机、关机和模块的更换:

    开机:直接合上柜内空气开关装置即可自动运行,模块软启动结束后自行输出电流。

    关机:先依次按每个模块的“停止”按钮,在模块处于“停止”状态再断开柜内空气开关,避免对系统造成冲击。

模块更换:顺时针合上柜内相应相别的CT短接开关,避免CT二次侧开路,再拔出需要更换的模块,并插上新模块,逆时针断开CT短接开关,进行相应的模块设置(在模块操作说明中详述)即可。

    2、模块操作:

    每个模块同相并联于整机中,相同相别的模块取样于相同的CT二次侧,即取样信号是相同的,但可以分别设置工作模式和输出比例。

工作模式的选择:最初由我方调试人员确定,如果需要更换模块,客户所需要操作的只是记录下需要更换模块原来的拨码设置,并重新设置新模块的拨码位置与原来的相同即可;模块共有2个拨码盘,左边为设置单次谐波滤波或需要无功补偿时使用,位权由168421组成,可以组合成31次以内的任意次谐波,方法是位权相加即为谐波次数,例如将41两个位权合上表示该模块的特定次为5次;如需要同时补偿无功和谐波,则第1位拨码合上即可。右边的拨码盘共有2位,第1位合上为补偿特定次谐波,此时滤波次数由左边拨码盘设置,第2位合上表示全频谱滤波(2-41次同步滤波),其中12两位中只能合上其中之一。具体的设置在模块面板上均有详细说明,为方便起见,汇总功能表如下:

 

 按钮功能:每个模块只有2个按钮,按“停止”按钮可以强制模块关闭输出,继续按该键则轮流显示直流电压、内部温度、设置的输出比例和限流值;按“复位”可强制模块进入重新工作状态。

输出比例的概念:相同相别的模块的电流取样信号是相同的,但输出电流可以不同,这是通过输出比例(199.9)来进行设置的,而每个模块具体需要输出多少电流是根据系统现有谐波电流和模块数量来确定的,举例说明:基波电流400A,谐波含量30%,系统谐波电流为120A,由4组滤波模块分担,每组每相各需承担30A,假设该状态下输出比例为40.0时正好实际输出电流为30A,则该相模块均按此设置,需要注意的是输出比例和实际输出电流之间没有固定的关系,因为还与系统谐波含量、CT二次电流等有关。具体的输出比例由我方调试人员在正式调试阶段进行确定,客户所需关心的只是更换模块时按该相其他模块相同设置参数进行设置即可,我方在寄出备用模块前也会按现场情况做好设置,一般情况下用户只需直接更换即可。

模块限流值的概念:当系统谐波增大并超过模块额定电流时,模块自动按设定的限流值输出电流,并不关闭模块的输出,所以最大限度的保证滤波效果和装置的安全性。

如何设置:所谓的设置就是输出比例和限流值的设置,方法如下:

定义短按为选择,长按为确认。

    按住“停止”不放,用另一手指按一下“复位”并放开,此阶段“停止”键始终不要松开,显示器内容闪烁时即进入输出比例的设置,松开“停止”,短按“停止”可使当前闪烁值由“0”到“9”循环变化,当到达需要值时长按“停止”进行确认,自动下一位进行闪烁,按相同的方法进行3位数的操作,当最后一位被确认后进入限流值的设置,短按“停止”,按相同方法进行设置,当达到需要值时长按“停止”,此时3位数字均闪烁以等待进一步的确认,再长按“停止”,数字不再闪烁,松开按钮设置完毕,模块自动复位进入工作状态。

故障报警:所有故障均会在显示器上进行显示,以下为故障情况汇总:

 

 

 

 

 

 

 

说明:

1prot保护在连续发生5次以内均会自动复位,连续超过5次则自动封闭输出,同时prot闪烁显示;

2XXXU闪烁显示:在软启动阶段,由于直流电压尚未充电完成,也会显示该状态,此时为正常,XXX为直流电压值;

3XX℃闪烁显示:已发生过热保护,XX为内部IGBT具体温度值;在该故障发生前,已有两级温控措施:第一级为温度上升到风机启动值,风机启动,正常情况下温度会下降,下降到回差值以下则风机停止以延长风机寿命;第二级,如风机故障且环境温度极其恶劣,则温度会持续上升,到达一定温度模块自动启动降温程序,逐步限制输出电流以达到限制温度继续上升的目的,在保护模块不发生过热的前提下尽可能提供输出电流;当前两级措施采取后温度继续上升,则过热报警,同时自动关闭输出。

4、故障警报后可尝试按复位重新启动,如果仍然故障报警,则可确定需要更换模块。

 

包装运输存放

对于模块化装置,其模块和柜体分开包装运输,每个模块有单独的包装箱。

随机供用户的技术文件用密封袋封装,并放入包装箱内,当产品分多箱包装时,随机文件放于主机箱内。

装箱资料应有:

1.装箱单;

2.出厂检验报告;

3.电气接线图;

4.产品说明书。

箱体在竖立、转运、起吊过程中不许倒置、翻滚,以防止损坏柜面油漆层、元器件,防止柜体受力不均而变形。

箱体在运转临时停置时,必须防晒、防雨、防潮、防撞和防止强烈振动。产品在储存时,不得直接放在泥土的地面上,库房应通风良好,不受有害气体侵入,严禁与化学药品、酸、碱等存放在同一库房内。

 

安装运行维护

产品就位后即可进行安装,均为电缆下进线,具体电气连接请按随机提供的电气接线图进行施工。

RAPF系列装置为免维护产品,调试完成后即自动长期运行,平时无需特别的保养;定期清除粉尘有利于延长设备的使用寿命。

 

订货需知

需提供变压器容量、负载类型、系统电压、总谐波电流值(或频谱图)、线制,对于数据不详的场合,也可委托我方进行现场检测,我方根据谐波数据提供治理方案。

 

方案设计指导

不同类型的负载及系统其谐波、无功特性是不同的,归类后汇总如下:

1、晶闸管类谐波源:多为带平波电抗的感性负载,属电流型谐波源,自然功率因数都较低,负载特性有两种情况,分述如下:

加热类负载:比较典型的有拉丝用中频炉、单晶炉、多晶炉等,这类负载一般比较平稳,谐波和功率因数波动不大,可以考虑用有源滤波治理谐波,用电容器补偿无功,为避免电容器对谐波电流的放大引起谐振,应在电容器回路中串联电抗进行失谐调配,串联电抗的参数选择以系统电压谐波频谱为依据,应注意的是串联电抗后电容器端电压将升高,电容器额定电压的选择必须与串联电抗的参数相匹配。相应的设置为:RAPF工作模式设置为全频谱补偿,不含无功,至于功率因数,对于已有无功补偿柜的场合可对原电容器支路进行改造,对于没有无功补偿柜的场合可以增配失谐无功补偿柜。

焊机类负载:比较典型的为交流电焊机,这类负载的电流、功率因数、谐波均剧烈变化,一般的无功补偿或无源滤波设备无法保证快速的响应速度,使用有源滤波进行谐波和无功补偿在技术上是理想的方案,具体设置为:RAPF设置于全频谱补偿,包含无功功率,不需要专门的无功补偿柜,但在设计阶段要根据谐波电流、无功电流的值设计RAPF的配置容量。

2、三相桥式整流后接大电容平压类:为电压型谐波源,比较典型的有变频器、IGBT电源、电解电镀、计算机等,这类负载由于功率因数较高,若用无源滤波进行治理,其本身带有相当的基波无功补偿容量,投入后容易引起无功过补,而若考虑无功不过补则必须限制其基波无功容量的配置,这又会导致滤波效果恶化,所以在此无源滤波设备并不理想;有源滤波可以单独补偿谐波而不补偿无功的功能是比较合适的。由于为电压型谐波源,常规并联式的有源滤波并不能充分发挥其高效滤波的特性,目前普遍的手段是在负载进线端串联输入电抗,将其特性逼近于电流型谐波源,再用有源滤波进行治理,但这种方式存在几个问题:其特性只能逼近而非等同,由于串联电抗值过大将造成负载电压降低,而过小的电抗值又不能体现其作用,所以最终效果只能是折衷的,再次,串联电抗将承担负载需要的电流,其功耗不可忽略,最后,如果串联电抗出现故障将导致负载直接断电而影响生产,所以其保护和恢复也较为复杂。我公司的有源滤波设备充分考虑了这些因素,允许在不改动原有系统的基础上仍然发挥有源滤波对谐波的高效滤除。

3、三相桥式整流后接电阻性负载:分为可控整流和不可控整流,比较典型的为调功电阻炉,本身功率因数较高,无需进行无功补偿,对于系统中有其他感性负载存在的场合则设计方法与上述第1条相同。

4、对于变压器低压侧通过母联开关并联运行的场合,如需配电房集中治理的,由于违反了补偿电流在电流注入点与系统谐波电流相抵消的原则(部分补偿电流流向另一台变压器,而被本侧CT检测到),所以必须保证两台变压器所配置的滤波设备其容量是一致的,或在负载侧(或配电出线侧)就地进行治理。

 

一次方案选型

1、配电房集中治理:

 

 

 

 

 

2、配电出线侧治理:

 

 

 

 

 

3、负载侧就地治理:


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