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1、供电系统谐波治理技术讲座无源电力滤波器的设计与调试华北电力大学电气工程学院2004.10.20一、无源LC滤波器根本原理和构造LC滤波器仍是应用最多、最广的滤波器。1、常用的两种滤波器：调谐滤波器和高通滤波器。2、滤波器设计要求 1）使注入系统的谐波减小到国标同意的水平； 2）进展基波无功补偿，供应负荷所需的无功功率。 3、单调谐滤波器 由图主电路可求：调谐频率：调谐次数：在谐振点：zR 特征阻抗： 质量因数： q为设计滤波器的重要参数，典型值q=3060。4、高通滤波器用于吸收某一次数及其以上的各次谐波。如下图。 复数阻抗：截止频率：构造参数： ，一般取m=0.52； q=0.7 1.4依照
2、以上三式可设计高通滤波器的参数。二、滤波器设计内容和计算公式1、滤波器参数选择原则原则：最小投资；母线 THDU 和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运转。 参数设计、选择前必须掌握的材料： 1）系统主接线和系统设备（变压器、电缆等）材料； 2）系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等； 3）谐波源特性（谐波次数、含量、波动功能等）； 4）无功补偿要求；要到达的滤波指标； 5）滤波器主设备参数误差、过载才能、温度等要求。以上材料是滤波器参数选择、设计必要条件。案例设计咨询题：没有系统最终规模的谐波材料2、滤波器构造及接线方式选择由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤
3、波器。工程接线可灵敏多样，但推荐采纳电抗器接电容低压侧的星形接线，主要优点是： 1）任一电容击穿短路电流小； 2）设备承受的仅为相电压； 3）便于分相调谐。高通滤波器多采纳二阶减幅型构造（基波损耗小，频率特性好，构造简单）。经济缘故高通滤波器多用于高压。1、滤波器参数选择原则原则：最小投资；母线 THDU 和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证平安、可靠运转。 参数设计、选择前必须掌握的材料： 1）系统主接线和系统设备（变压器、电缆等）材料； 2）系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等； 3）谐波源特性（谐波次数、含量、波动功能等）； 4）无功补偿要求；要到达的滤波指标； 5）滤波器主
4、设备参数误差、过载才能、温度等要求以上材料是滤波器参数选择、设计必要条件。本案例1段母线滤波器接线（图纸拷贝）。3、滤波器设计参数的分析处理参数设计必须应依照实测值或绝对可靠的谐波计算值，但依照详细情况可作一些近似处理： 1）母线短路容量较小或换算得到的系统电抗（包括变压器）XS较大时，可忽略系统等值电阻RS； 2）系统原有谐波水平应通过实测得到，在滤波器参数设计时，新老谐波电流源应一起考虑； 3）L、C制造、测量存在误差，以及f、T变化可能造成滤波器失谐，误差分析是参数设计必须考虑的咨询题； 4）参数设计涉及技术指标、平安指标和经济指标，往往需经多个方案比拟后才能确定。4、滤波器方案与参数的
5、分析计算1）确定滤波器方案 确定用几组单调谐滤波器，选高通滤波器截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要求。 例如：三相全波整流型谐波源，可设5、7、11次单调谐滤波器，高通滤波器截止频率选12次。无功补偿要求沉着量需求平衡角度，通过计算综合确定。 2）滤波器根本参数的分析 电容器根本参数：额定电压UCN、额定容量QCN、基波容抗XC，而XC=3 U2CN/ QCN（这里QCN 是三相值）。 为保证电容器平安运转，电压应限制在一定范围内。3）滤波器参数的初步计算（按正常条件）设h次谐波电压含有率为HRUh，通过推导可得到： 其中，q 为滤波器的最正确质量因数。以上是从保证电容器电压要求初步选择
6、的参数。但为保证电容器的平安运转还应满足过电流和容量平衡的要求，公式如下： 4）滤波器参数的初步计算串联电抗器参数以上为单调谐滤波器参数的初步选择。5）滤波器参数的最后确定滤波器最终参数需通过大量、屡次频率特性仿真计算结果确定；并依照要求指标进展校验。 为保证平安运转，还要选断路器、避雷器、保护等。 自动调谐滤波器（改变电感 L）能提高滤波效果。但由于技术经济的缘故，目前应用不普遍。5、滤波器参数指标的校验1）电压平衡 ：校验支路滤波电容器的额定电压2）电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平 ，IEC为1.45倍。3）容量平衡：QCN= QC1（基波容量）+Q h (谐波容量)；对滤波支路仅考虑
7、I1 和Ih 通过时，近似有：6、其它分析、计算工作1）滤波支路等值频偏（总失谐度）的计算2）滤波支路质量因数q值的计算其中，s为滤波器接点看进去的系统等值阻抗角。3）滤波器功能和二次保护等分析计算滤波器设计的技术性特别强，需有专门的程序。除参数计算外，要能对滤波器的谐波阻抗、综合阻抗、谐波放大、部分谐振（串、并联）等滤波功能进展分析。三、案例滤波器设计方法介绍1、案例简介2、谐波数据合成 中频炉属交直交供电，换流脉动数为6，特征谐波值为6K1次谐波。非对称触发等缘故，存在非特征谐波。 福建中试测试：线2、线4和中频炉馈线；各谐波电压畸变率全部超标，5、11、13及以上谐波电流超标。 非在电网
8、最小方式、钢厂非满负荷下的测试，测试结果偏小；及今后8台炉投运超标确信更大。 设计咨询题：没有单台电炉谐波测试数据，没有新供电方案下负荷同时运转测试数据，需依照经历及现有供电方案谐波测试数据进展分析获取设计数据。 按电炉变80负荷率合成各母线谐波电流。 3、基波无功容量计算 按母线电炉全部运转功率因数大于0.9，单炉运转功率因数应小于1，治理前平均功率因数取0.85条件，通过程序计算各段母线的三相基波补偿容量： 10KV I段：Q=3.8MVAR 10KV II段：Q=2.65MVAR 605频炉线： Q=1.9MVAR 4、考核标准计算和滤波器配置选择 依照各母线的短路容量，计算各段母线电炉
9、运转过程中的谐波考核标准；以及比照合成的谐波电流水平，选择、配置各段母线的滤波器。 总电压畸变率国标规定的限值各级电网谐波电压限值（%）电压（KV）THD奇次偶次0.385.4.02.06.10.43.21.635.6632.41.211021.60.0同意注入电网的各次谐波电流国标规定限值（部分）短路容量不同时的换算公式：依照短路容量换算案例的各母线谐波电流同意值。标称电压（KV）基准短路容量（MVA）234567891011010.0100.00.260020.0013.0020.0008.5015.0006.4006.8005.1009.3（I）010.0116.0025.0016.50
10、12.5016.9008.2013.3006.1006.5004.9008.7(II)010.0116.0019.1010.1009.5010.8006.2009.0004.7005.0003.7006.5(605)010.0080.0011.1005.1005.6005.6003.6004.9002.7002.9002.2003.7标称电压（KV）基准短路容量（MVA）12131415161718192021010.0100.0004.3007.9003.7004.1003.2006.0002.8005.4002.6002.9（I）010.0116.0004.1007.5003.6003.9
11、003.1005.8002.7005.2002.5002.8(II)010.0116.0003.2005.7002.7003.0002.3004.4002.1004.0001.9002.1(605)010.0080.0001.8003.3001.6001.8001.4002.6001.2002.3001.1001.2标称电压（KV）基准短路容量（MVA）2223232425010.0100.0002.3.004.5.004.5002.1004.1（I）010.0116.0002.2004.3004.3002.0003.9(II)010.0116.0001.7003.3003.3001.5003
12、.0(605)010.0080.0001.0001.9001.9000.9001.8与合成的案例谐波比拟：各母线谐波电流均超标，由于装置的非同时触发，存在非特征谐波超标的现象。因而只能对主要的频谱进展设置滤波器；由于电炉运转方式大幅度变化，特别是10KV I段负荷变化较大，受基波无功补偿容量限制，参数设计存在难度及妨碍其滤波效果。 综合考虑：各母线配置5、7、11、13次滤波器。 5、滤波器参数设计（以10KV I段为例） 由于中频炉谐波为连续频谱谐波，以及基波补偿电容器的限制，滤波器参数设计特别难满足要求，经几十次分析、比拟，确定的案例最终单相参数如下：H5H7H11H13合计电容器（F）2
13、7.5159220.777333522.98421三相电容器安装容量（kvar）18301350186012696309三相基波输出容量（kvar）90066611087263400电抗器（毫亨）14.745229.961782.395222.61115考虑的咨询题：滤波效果，电压、电流、容量是否能够平衡，是否存在谐波放大，无功是否过补等，通过对参数进展屡次仿真，调整、比拟和评估设计效果，。1段母线补偿电容器和滤波器同时运转仿真例如：仅滤波器投入运转的仿真例如。四、设备定货、施工和现场调试1、拟合标准指标与产品定货 按设计参数选配、拟合标准规格电容器，考虑电抗器调理范围，提出温升、耐压、损耗等
14、指标。 电容器要求+误差，电抗器5%可调，电容器质量。 留意滤波电容器，干式、油侵电容器等咨询题。2、工程施工需要留意的咨询题 LC滤波器属工程，结合用户现场条件、情况，设计单位应提供完善的工程材料，安装、施工要求；由于滤波器现场安装，要求工程单位按设计施工、保证质量；做详细安装检查，保证连接正确，防止相序、设备接线错误 案例施工中的咨询题：连接、保护3、现场调试主要要求和方法 1）要求：保证系统可靠运转，防止系统与滤波器谐振造成的谐波放大；投切过电压限制在有效范围内；保证滤波本身平安运转，不会导致电容、电感、电阻等不发生稳态过负荷，以及投、切时的过电压、过电流不损坏本体设备。 其中，多数与设
15、计有关。 2）步骤：测量各种工况谐波；计算系统和滤波器频率特性，研究是否可能出现谐波放大，决定滤波器是正调偏依然负调偏；计算调整后的过电压、过电流；分析、考虑配置的保护，避雷器对投切、断路器重燃过电压有重要作用；编写滤波器投入方案，测量考核滤波效果。 案例调试中发生的咨询题：。 3）方法： 幅频特性法：谐振时Z=R，滤波器电流最大；电阻上的电压最大，滤波器总电压最小；因而，通过观测两个电压与预估的电压比拟，可确定调谐回路的谐振。 缺点：误差大，有计算误差、试验误差和观测误差。 相频特性法：把电阻电压和滤波器总电压分别送示波器两个通道进展相角比拟，可确定滤波器是否谐振。可采纳同轴或不同轴两种方法
16、。同轴法看到的是点重合或相反，因而误差大；不同轴法通过椭圆变成直线确定谐振，因而观察比拟容易，精确，工作量小。 放电振荡法：过程如图 放电时测量R上电压，记录波形； 测量周波时间，可计算谐振频率。 缺点：每测一次都需充、放 电一次，过程复杂，也不够精确。 因而，三种方法中，相频特性法比拟有用，而且可用频率计实际测量谐振频率；改变信号发生器频率，还能够测量滤波器的阻抗频率特性。 实际工程一般采纳-5%（负偏）调谐滤波器。4、案例工程运转测试结果（1段母线）投运前：电压（V）电流（A）功率因数电压总畸变率%电流总畸变率%98005400.8810.15.1投运后：电压（V）电流（A）功率因数电压总
17、畸变率%电流总畸变率%102005600.991.54.2投运后各次谐波电流的95%最大值 五、关于电弧炉谐波治理的简介 1、电弧炉负荷特点和治理要求 1）三相负荷电流严峻不对称，严峻时负序可达正序的50%60%，熔化期也占20%。需处理不平衡咨询题； 2）含有2、3、4、5、7等次谐波，产生的谐波电流频谱广，含有偶次谐波，谐波治理要求高； 3）电弧炉随机运转在开路-短路-过载状态，特别大的功率冲击，引起PCC母线电压变动，存在电压闪变咨询题。 4）电炉变压器和短网耗费大量无功， 因而运转功率因数特别低，增大电网损耗、降低电压水平。 小容量电弧炉可用 LC 无源滤波器，但对设计的要求比拟高，一
18、般采纳C型电力滤波器。2、常用SVC方式和TCR补偿原理 常用的SVC有晶闸管操纵电抗器（TCR）、自饱和电抗器（SR）和晶闸管投切电容器（TSC）三种。 TCR原理、构造，以及相关工程、技术咨询题如下：3、TCR补偿与LC滤波的原理区别 1）电弧炉负荷三相不平衡、 无功冲击是根本缘故，要求进展动态、分相补偿，TCR是处理咨询题的必须手段。同时处理电弧炉负荷产生、存在的咨询题。 TCR为动态补偿装置，响应时间在20ms内。 2）LC滤波器以治理谐波为主，兼顾补偿系统无功。目前一般应用场合，不具备动态补偿功能。 电力机车谐波治理可采纳投切方式（非动态）。 3）采纳那品种型的装置，涉及到负荷性质、滤波（ 或补偿）效果、可行性和工程投资等。 处理咨询题是类型选择的原则。TCR设计方法略。