滤波器应用实例概述.docx
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滤波器应用实例概述
技术方案总体说明
第一部分系统分析
1.1负荷特性分析
1.1.1铝电解负荷性质和供电要求
按生产过程，铝电解属于熔盐电解，依靠不断地供给电解槽以直流电能，在1000℃左右将包括氧化铝的电解质进行加热和电解，生成的熔融铝沉于电解槽下部，连续不断的输入直流电流方能保持电解槽正常生产所需要的槽温。
当降低直流电流时，将引起槽温下降，因而破坏槽子的热平衡，此时浮于上部的氧化铝将开始下沉槽底结疤，槽子的电阻值增大，槽电压升高，阳极效应增多，槽子处于病态，严重时电解不可能正常进行，因而工艺生产要求恒定的直流电流。
直流电流大幅度的波动或降低，不但将破坏电解槽的正常生产，而且会造成槽子局部过热。
当发生全停电事故时，如停电一个小时，除产生上述大幅度电流波动的严重影响外，还因电解槽逐渐冷却而危及槽子的正常寿命。
铝电解负荷为一级负荷，因此设计铝电解厂供用电系统和电气设备的选择，必须考虑到在检修和一般故障情况下不得影响铝电解的正常生产，不应降低负荷和电解电流等。
1.1.2整流装置谐波成因分析
变流装置是电网的主要非正弦受电设备。
即使电网供电电压为理想正弦波，由于整流阀的单向导电作用，在正反向电压作用下其电阻值迥然不同，因而整流装置从交流电力系统取用的电流也是非正弦的。
这种非正弦电流波形，根据系统参数、整流装置相数、接线和运行条件的不同而发生很大的畸变。
将这些电流波形按照傅氏级数可以分解为基波及一系列不同频率和振幅的谐波，但通常不包含直流分量。
因此整流装置是从电力系统取用谐波电流的受电设备。
整流装置从电网中取用的非正弦电流，流经系统中包括发电机、输电线、变压器在内的各种阻抗元件，必然产生非正弦的电压，使交流系统内各点的电压波形也发生不同程度的畸变。
电压畸变的程度取决于整流装置容量与电网容量的相对比值以及供电系统对谐波频率的阻抗。
畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用大的电流波形又有影响，因而谐波电流和谐波电压相伴而生，相互影响。
整流装置直流侧输出电压和电流，亦非理想的直流平滑波形，可视为直流分量及一系列交流谐波分量的综合。
直流分量及交流分量的的大小，取决于整流装置运行条件、相数、接线方式、系统参数等一系列因素。
一般情况下，整流装置靠近直流负荷，除高压直流输电及直流牵引网络外，直流侧谐波较交流侧谐波影响面小。
1.1.3整流装置谐波危害
谐波作为电网的污染源，对电网及电力设备的侵害表现在诸多方面：
●对变压器的影响
谐波电流增加变压器铜损、铁损，使变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。
谐波也可能引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。
●对电力电容器的影响
随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命；另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。
●对电力电缆的影响
在导体中非正弦波电流产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较，非正弦波有较高的热量，该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。
这两种效应如同增加了导体的交流电阻，进而导致线路损耗增加。
此外，谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。
对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。
1.2项目工程概况（用户提供）
1.2.1使用的环境条件
海拔高度：
1230米
年平均环境温度：
9.2℃
最热月平均气温：
23.4℃
最冷月平均气温：
-7.4℃
极端最高气温：
39.5℃
极端最低气温：
-26.9℃
平均相对湿度：
9.2%
年平均降雨量：
222.9mm
日最大降雨量：
77.8mm
年平均蒸发量：
2055.3mm
最大冻土深度：
80cm
最大瞬时风速：
38m/s
年平均风速：
2.9m/s
主导风向：
W和ENE
静风频率：
25%
安装方式：
户内安装，安装面积20mX14.5m（单套）
1.2.2接入电源系统参数
（1）铝厂330KV母线处：
1）工作电压：
U1=330+10%,-5%kV，频率=50±0.5Hz
2）系统短路参数：
铝厂330kV母线处，短路容量为****MVA。
3）频率：
50±0.5Hz
（2）铝厂电源公共连接点的用电协议容量：
XXXMVA
铝厂电源公共连接点的供电设备容量：
XXXMVA
（3）整流变设备参数
1）型号ZHSFPTB-148.4MVA/330kV，整流机组共8组.
2）每台机组的参数如下：
机组通过容量148.4MVA
单机组额定直流电流2X39KA
补偿绕组容量42MVA
补偿绕组电压24kV
3）每机组12相整流，8机组组成等效96相脉波。
4）整流机组阻抗
机组的各级容量阻抗由整流变压器中标厂家提供。
运行方式：
方式：
8台整流机组运行；
方式：
7台整流机组运行。
（4）电解工艺慨况
✧电解槽数：
总数量366台，其中备用槽8台；
系列正常电流：
500kA
✧饱和电抗器控制深度：
70V
✧额定系列电压：
1650V
✧槽平均电压：
3.93V
1.2.3治理后要求达到的电能质量指标
（1）滤波补偿装置在电解系列电流500KA运行时，以及在8台机组和7台机组运行，以及全系列和半系列运行时，整流机组注入电网的谐波电流及谐波电压畸变率应满足GB/T14549-93国家标准的要求。
电压总谐波畸变率THDu≤1%。
允许注入公共联接点的谐波电流允许值按国家标准要求考核。
（2）在8套机组运行时，整流装置的总功率因数为≥0.95，任何运行情况下总功率因数≯1；在7套机组运行时，整流装置的总功率因数为≥0.90，在任何情况下运行均不会产生谐振。
不损坏电容器等设备。
（3）滤波通道设置5次、7次、11次共3个滤波通道，满足在任何运行方式（8套机组运行或7套机组运行）时，供电系统均不发生谐振，且谐波含量均满足本技术要求中“允许注入公共联接点的谐波电流允许值”要求。
（4）电容器采用双星型联接，并设中性点不平衡电流互感器。
1.3治理前谐波电流仿真分析
整流设备在理想情况下，流经调压变压器的谐波电流只有12K±1次特征谐波（K为整数）。
8套机组同时运行时，流入330kV母线的谐波电流只有96K±1次特征谐波；1套机组检修，7套机组运行时，流入330kV母线的谐波电流则有12K±1次特征谐波。
实际上由于系统运行存在诸多因素的偏差，亦存在一定比例的其他非特征次谐波。
谐波电流计算方法如下所示：
Ø理论计算公式：
的计算（参考硅整流所电力设计P238-P239）
：
换相电抗直流电压降相对值计算系数，对于三相桥式接线
=1/2=0.5
：
换相电抗，即系统电抗（以调压整流变压器容量为基准）和调压整流变压器短路阻抗之和
：
调压整流变压器容量
：
系统短路容量
：
调压整流变压器短路阻抗
：
电流标么值
理想空载电压：
系统短路容量：
网侧基波电流的有效值：
（GB/T3859.2-93P28）等效IEC146-1-2（1991）
式中：
:
控制角
：
换相角也叫做重叠角
谐波电流频谱计算（参考GB/T3859.2-93P30）等效IEC146-1-2（1991）
其中
2、经验公式
：
工程经验值
我公司取值时取两者的大值，经计算，结果如下：
根据国家标准《半导体变流器与供电系统的兼容及干扰防护导则》（GB/T10236-2006）中针对整流机组谐波电流估算的计算方法以及我公司对大量同类行业谐波源的测试结果进行经验修正，估算出的1台整流机组运行时流入330kV侧的谐波量的主要谐波电流发生量见表1-1。
表1-11台整流机组运行时主要谐波电流值
谐波次数
5
7
11
13
17
19
23
25
谐波电流（A）
（折算至24kV侧）
60
43
136
107
23
15
21
20
谐波电流（A）
（折算至330kV侧）
4.4
3.1
9.9
7.8
1.7
1.1
1.5
1.5
注：
在理想情况下，12脉波整流机组运行时向电网侧注入的谐波电流只含有12K±1次特征谐波（K为整数）。
但在实际运行中由于各种非理想因素（电网电压不平衡，触发延迟角不对称等）的存在，不可避免的产生非特征次数谐波。
根据我公司对大量同类性质谐波源的测试结果统计来看，12脉波整流机组运行时除特征谐波11次、13次、23次、25次谐波电流较大外，非特征谐波5次、7次、17次、19次谐波电流也有一定程度的存在。
第二部分方案设计
2.1引用标准
系统配置、设备制造遵守但不低于现行的、最新版本的国家标准及原电力部制定有关技术规范，国标未列部分参照IEC标准执行，有关国标及规范如下：
IEC60255《保护继电器》
IEC289《电抗器》
IEC60060《高压试验技术》
IEC60289《电抗器》
IEC60044－1《电流互感器》
IEC60044－2《电压互感器》
IEC60794《光纤电缆》
IEC60255《套管》
IEC60185《绝缘子选择》
IEC60129《隔离开关和接地开关》
IEC60099《避雷器》
GB3309《高压开关设备常温下的机械试验》
GB311.2～6《高电压试验技术》
GB311.1《高压输变电设备的绝缘配合》
GB2900《电工名词术语》
GB1985《交流高压隔离开关和接地开关》
GB1984《交流高压断路器》
GB191《包装贮运标志》
GB156《额定电压》
GB156《标准电压》
GB1208《电流互感器》
GB1207《电压互感器》
GB11022《高压开关设备通用技术条件》
GB10229《电抗器》
GB16836《量度继电器和保护装置安全设计的一般要求》
GB14285《继电保护和安全自动装置技术规程》
GB50062《电力装置的继电保护及安全自动装置设计规范》
GB12325-1993《电能质量公用电网谐波》
GB50227-95《并联电容装置设计规范》
GB3983.2-89《高电压并联电容》
DL/T604-1996《高电压并联电容器装置定货技术条件》
IEC871-1（1987）《额定电压600V以上交流电力系统用并联电容器》
GB1111-89《高压并联电容器装置》
2.2无功补偿量计算
根据366台电解槽、槽平均电压3.93V、系列电流500kA计算330kV侧母线总有功功率P=366*500*3.93=719190kW。
根据前述相同规模工程经验数值及我公司测试统计规律，确定自然功率因数为0.88。
8台整流机组运行时：
功率因数由0.88补偿至0.95，总补偿容量为Ｑ=719.19×（
）=152Mvar，所以单机组补偿量为：
152÷8=19Mvar
为保证8机组运行时功率因数不小于0.95，还应考虑一定余量，因此，在仿真计算中，补偿容量要大于19Mvar，且保证不发生过补偿。
经过仿真计算，本次补偿容量选取19.7Mvar，总无功补偿容量为19.7*8=157.6Mvar，功率因数可以达到0.952，完全满足招标技术要求8机组运行下功率因数＞0.95的技术要求。
当7台整流机组运行时，有功功率仍保持719190kW，总无功补偿容量为19.7Mvar*7=137.9Mvar，此时的功率因数为0.945，完全满足招标技术要求7机组运行下功率因数＞0.90的技术要求。
2.4滤波器设计
2.4.1滤波装置设计原则
1）设计的滤波器兼具吸收谐波及无功补偿的双重作用；
2）滤波器投入后保证PCC点的各项谐波指标满足国标要求；
3）考核点计费点月平均功率因数满足用户要求，且不过补；
4）仿真计算滤波器投入后不与系统发生并联谐振，即在各种运行方式下谐振点不在整数次谐波频率下。
5）进行滤波器过电流、过电压安全性能的校核。
6）以最经济的投资来实现本项目滤波器的技术、安全指标。
2.4.2滤波装置工作原理
高压无源滤波装置一般由多条单调谐滤波支路和1条高通滤波支路组成，其等效原理图如图2-1所示。
例如要滤除5、7、11次特征谐波，则只要将各支路的电容电感参数分别调谐到250、350及550HZ稍下的频率，其每条支路在各自的调谐频率上总阻抗接近为零（至少远小于系统阻抗），此时谐波电流就只流入滤波支路而不流入系统，从而达到滤波的目的。
图2-1滤波装置工作原理图
滤波装置工作原理等效图如图2-2所示。
图2-2滤波装置工作原理等效图
图2-2中，谐波源为整流机组所产生的谐波电流，可视为电流源；滤波器为所设计的滤波装置，其主要有5次、7次及11次（高通）3支路组成；X1、X2、X3分别为调压变三个绕组的等效短路阻抗值，Xs为调压变高压进线侧等效短路阻抗值。
由图2-1、图2-2对比可知，调压变绕组等效短路阻抗X1、X3对谐波电流流向有一定的影响，其中X1、X2、X3三个参数可由阻抗电压百分数U12（%）、U13（%）、U23（%）计算得到，通过计算并参考同类项目经验可知，在大多数情况下X1、X3是系统阻抗的数倍，所以可认为影响谐波分配的主要因素为调压变等效阻抗X1和X3，当X1大于X3时改善滤波效果，当X1小于X3时降低滤波效果。
X1、X2、X3计算方法如下：
对于三绕组变压器而言，绕组两两间短路电压百分比与各绕组短路电压百分比存在以下关系：
将上式转换后，可得各绕组短路电压百分比为：
由各绕组短路电压百分比可求得可绕组短路阻抗为：
为了方便滤波器的设计，阻抗计算全部折算到滤波器侧。
图2-3三绕组变压器接线图及等效阻抗图
根据业主提供的ZHSFPTB-148.4MVA/330kV整流调压变的阻抗表进行计算，变压器在不同级数下对应的阻抗如表2-3所示：
表2-3调压变额定档位下阻抗表
级数
容量（MVA）
U12（%）
U13（%）
U23（%）
X1（Ω）
X2（Ω）
X3（Ω）
1
148.4（额定）
19.30
22.50
11.50
0.59
0.16
0.29
26
119（80%）
20.00
16.60
11.50
0.49
0.29
0.16
57
74.2（50%）
20.80
10.30
18.50
0.24
0.56
0.16
88
29（20%）
44.40
4.05
41.40
0.14
1.59
0.02
本技术方案在设计时考虑到安全因素，在滤波装置内部已经将各支路电容电感值分别调谐到250、350及550HZ稍下的频率，此时再加上第三绕组短路阻抗后，滤波器调谐频率会在原设计基础上再稍微下降一些，但仍能满足用户及国标对谐波限值的要求，同时可保证在调压变第三绕组出现故障时，滤波器与系统不出现谐振现象。
2.4.3主要元器件技术参数及技术要求
2.4.3.1滤波电容器
a）电容器组允许的电容偏差为装置额定容量的0~+3%。
每相电容器值与额定值偏差小于1%。
b）三相电容器的任何两线路端子之间，其电容的最大值与最小值之比不超过1.02。
c）电容器的温度系数不大于0.0002/K。
d）电容器介质损失在20℃时＜0.0002。
e）长期过载能力：
✧长期允许过载电压：
1.15倍额定电压。
✧长期允许过载电流：
1.35倍额定电流。
f）电容器损耗≤0.08W/kvar，噪音低，不漏油，采用不锈钢外壳，箱壳自动焊接及自动真空注油，绝缘油不含PCB，聚丙烯全膜电介质，内置放电电阻、内置熔丝、外壳烤漆。
g）电容器支架及紧固件均采用热度锌处理。
2.4.3.2滤波电抗器
滤波电抗器技术要求如下：
a）电抗器采用开放式、电感量无级连续可调。
b）每相电抗器的形式：
干式、空芯、铝导线多股平行绕制并交叉换位，线圈外部由环氧树脂浸透的玻璃纤维包封，有防止紫外线涂层。
c）电抗器为户内安装，自然风冷。
d）绝缘耐热等级：
F级
e）电感偏差
在额定电流下，额定电抗率K≥4.5%的电抗器，其电抗值的容许偏差为0~+5%；K≤1%的电抗器，其电抗值的容许偏差为0~+10%。
每相电抗值不超过三相平均值的±1%。
f）温升：
电抗器在额定电流下的平均温升应满足相应的国标要求。
g）额定电流时损耗：
干式空心式不大于0.04W/var（75℃）。
h）稳态过电压：
电抗器应能在工频加谐波电压峰值为3/√2倍额定端电压下连续运行。
i）稳态过电流：
电抗器可以在允许在1.35倍额定电流下长期运行。
j）电抗器为垂直安装，对各支路的谐振频率附近三相电抗值偏差应小于1％。
k）电抗器运行电压24KV，对地绝缘满足国家标准要求。
l）电抗器运行时噪音小于65分贝。
m）连接主母线为铝母线；所有支撑绝缘子应为防污型。
2.4.3.3高压开关柜要求
a）采用35kVSF6专用于投切容性负荷的断路器。
b）安装方式为：
户内安装，35KV（SF6）断路器采用阿尔斯通断路器。
（阿海珐FP4031C）
c）断路器除满足一般断路器的技术条件外，且符合线路要求：
合闸时触头不弹跳、熔焊；
分闸时不重击穿；
有承受合闸涌流的能力；
采用弹簧操作机构，220VDC直流电源供电；
投切容性电流的能力不小于800A，开断电流为25kA；
2.4.3.4继电保护及测控装置
含电流保护、电压保护、不平衡电流保护、谐波保护及电流、电压、功率因素测量等装置。
2.4.3.5控制
滤波装置的控制主要由PT柜、开关柜组成。
1）PT柜——PT柜主要用来检测单相接地保护信号、过电压与欠电压保护信号，当此三类保护信号超出预设保护值时，PT柜发出控制信号跳开滤波器组的断路器。
2）开关柜——开关柜主要用来实现滤波器组正常运行及异常运行情况下的投切控制。
2.4.3.6保护
1）单相接地保护——单相接地保护主要通过PT柜来实现。
当PT柜检测到单相接地信号时先跳开滤波器组的断路器，如果接地信号仍未消除，说明故障点在调压变第三绕组出线端与滤波器开关柜之间，此时再跳开整流变一次侧的断路器。
2）谐波保护——谐波保护模块主要用来检测和控制流入滤波器组的谐波电流是否在安全范围之内。
如果超出预设保护值，则其发出信号跳开滤波器组的断路器，以免第三绕组因流过它的非特征谐波过大而导致其发热严重损毁，谐波保护模块安装在保护屏内。
3）过流与速断保护——过流与速断保护主要由安装于开关柜内的电流互感器来提供检测信号，当检测到滤波装置电流超出过流、速断限值时，发出控制信号跳开滤波器组的断路器。
4）过电压与欠电压保护——过电压与欠电压主要由安装于PT柜内的电压互感器来实现，当检测到第三绕组电压超出过电压、欠电压限值时，发出控制信号跳开滤波器组的断路器。
5）操作过电压保护——在滤波器组中加装避雷器及中性点避雷器，用以限制滤波器组投入时作用在调压变第三绕组上的操作过电压。
6）中性点不平衡电流保护（双星差流保护）——中性点不平衡保护主要用来检测电容器内部是否有故障发生。
当检测到不平衡电流值超出预设保护值时，发出信号跳开滤波器组的断路器。
中性点不平衡电流保护主要由中性点电流互感器提供检测信号，其安装于电容器框架上。
7）熔丝保护——选用带内熔丝电容器，当内部小单元出现故障时，熔丝熔断，切除掉此单元。
2.5滤波后电能质量仿真分析
2.5.1治理后功率因数
补偿后功率因数
运行方式
总补偿无功（kvar）
补偿后功率因数
8机组运行
157600
0.952>0.95
7机组运行
137900
0.945>0.90
通过上表可以看出，我公司设计的滤波器投运后，功率因数满足用户提出的要求，并且不发生过补。
2.5.2治理后谐波电流
根据前述谐波电流估算情况，对装设滤波补偿装置后系统进行仿真分析得出：
装设滤波补偿装置后每台整流机组运行时滤波器侧及流入330kV侧的主要谐波电流见下表：
1台整流机组运行时主要谐波电流值
（图中流入系统电流值为折算至24kV的谐波电流值）
1台整流机组运行时主要谐波电流值
（图中流入系统电流值为折算至330kV的谐波电流值）
2.5.3波形仿真
滤波器投入前，330kV侧电压、电流波形：
滤波器投入后，8机组运行时，330kV侧电压、电流波形：
滤波器投入后，7机组运行时，330kV侧电压、电流波形：
2.5.4滤波器容量及安全性能校验
校核公式如下：
流过电容器的基波电流
电容器的额定电流
——电容器的额定电压
——滤波电容器承受的基波电压
——流过电容器的谐波电流在电容器两端产生的谐波电压
n——谐波次数
（C为每相电容器的电容值）
——流过电容器的所有谐波电流的均方根值。
经过校验仿真计算，我公司设计的滤波器满足电压、电流安全裕度的要求，滤波器安全性能合格。
考虑装入补偿装置后第三绕组电压的抬升,若投入26000kvar后，在额定档位时变压器计算得短路阻抗X13=0.356。
Ic=26000/24/1.732=625A；
△U=Ic*X13=0.356*625≈223V；
所以，第三绕组实际电压按24.23kV考虑，本次方案设计的仿真计算均按照24.23的系统电压进行。
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