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水處理行業(yè)電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案
摘要：在水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)中，涉及曝氣風(fēng)機、提升泵、污泥脫水設(shè)備等感性負荷設(shè)備，導(dǎo)致異步電動機產(chǎn)生較多無功功率和大量的諧波，使部分設(shè)備表現(xiàn)出輕載或不滿載運行狀況降低功率因數(shù)，以及諧波對配電系統(tǒng)、負載產(chǎn)生較大的危害。就此，水處理行業(yè)需提高對電能質(zhì)量的重視，通過有效的無功補償、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，如果容量過大，技術(shù)人員會配置無功補償裝置，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，檢測人員對變壓器進行短時間檢測，雖然檢測結(jié)果表明，變壓器在負載低于25%的工況下，功率因數(shù)大于0.9，總諧波畸變率低于5%，滿足標準。但結(jié)合現(xiàn)場勘查結(jié)果與檢測數(shù)據(jù)，分析該污水處理廠 在無功補償方面仍存在不足。工藝設(shè)備中負荷重要的設(shè)備(重要工段的水泵、鼓風(fēng)機等)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、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)備的變頻機構(gòu)、控制部件都是典型的非線性負載，會產(chǎn)生20%-50%的諧波流入配電系統(tǒng)，污染電網(wǎng)，不僅會對無功功率補償設(shè)備造成潛在影響還會影響各類電氣設(shè)備正常運行，降低系統(tǒng)效率，增加電力成本。
圖1 污水處理流程圖
諧波的影響
3.1諧波對電網(wǎng)的影響
導(dǎo)致電網(wǎng)功率消耗增大、設(shè)備試用時間降低、接地保護功能和遙控功能出現(xiàn)異常、線路與設(shè)備熱量增大等，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)運行。因此，諧波還能引發(fā)造成諧振在電網(wǎng)中發(fā)生，則會將運行正常的供電停止、情況嚴重、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、電動機等設(shè)備溫度上升，電容器損壞，進而促進了絕緣材料發(fā)生質(zhì)變的速率
3.2對變壓器的影響
諧波會增加變壓器的銅耗、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，增大變壓器發(fā)熱，甚至引起局部嚴重過熱，同時使變壓器噪聲增大，減少變壓器的實際使用容量，降低變壓器的使用壽命。
3.3對電容柜的影響
在諧波的作用下電容器將過熱，導(dǎo)致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數(shù)較高時，電容器呈現(xiàn)低阻抗特性，流過電容器的電流將變大，使得電容器處在過載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會使電容器介質(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被放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，*終導(dǎo)致電壓會大大高于電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲熔斷。
4水處理行業(yè)電能質(zhì)量檢測和治理系統(tǒng)解決方案
4.1行業(yè)特征
對電能質(zhì)量的要求較高；
負載中包含不同種類的諧波源，配電諧波的含量較高；
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，各個城市對水處理也逐漸重視起來，對于老廠會進行設(shè)備更新，發(fā)展較快的會擴廠增加設(shè)備。水處理廠配備大量抽送水泵，過濾設(shè)備，自動處理設(shè)備，這些設(shè)備共同的特點是：設(shè)備運行會產(chǎn)生大量的諧波；對電源質(zhì)量要求很高。在設(shè)備運行過程中如果存在大量的諧波，會使電壓、電流波形發(fā)生畸變，影響系統(tǒng)供電質(zhì)量。同時還對其它供電及用電設(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)展所需要考慮的問題。
安科瑞電氣提出的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)解決方案可滿足電力監(jiān)控管理、運維與電能質(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)等不同方面來滿足用戶的需要。為用戶創(chuàng)造價值。
4.3方案特點
電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)即可通過本地設(shè)備為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務(wù)；
符合GB/T17626.30-2012中A 級準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質(zhì)量指標參數(shù)的場合；
專業(yè)化的電能質(zhì)量監(jiān)測：電能質(zhì)量實時在線監(jiān)測，測量精度高、測得準，符合 IEC61000-4-30標準；
電能質(zhì)量監(jiān)測與治理裝置信息互聯(lián)，通過統(tǒng)一平臺管理，方便用戶同時監(jiān)測電網(wǎng)電能質(zhì)量以及治理數(shù)據(jù)；
采用三電平電力電子驅(qū)動器件，通過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)測與治理產(chǎn)品選型
5.1集中治理
針對水處理行業(yè)配電系統(tǒng)中涉及到的曝氣風(fēng)機、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，為減少諧波對電網(wǎng)側(cè)的危害和影響，同時確保無功功率因數(shù)達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時也可對整個低壓供配電系統(tǒng)進行電能質(zhì)量在線監(jiān)測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降、暫升、中斷、閃變監(jiān)測等，其集中治理的產(chǎn)品選型見表1。
表1電能質(zhì)量監(jiān)測及集中治理產(chǎn)品選型表
設(shè)備名稱 | 產(chǎn)品型號 | 產(chǎn)品圖片 | 功能特性 |
電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置 | APView500 |
| 電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，集諧波分析、波形采樣、電壓暫降/暫升/中斷、閃變監(jiān)測、電壓不平衡度監(jiān)測、事件記錄、測量控制等功能為一體，能夠滿足110kV及以下供電系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測的要求 |
APM系列 多功能網(wǎng)絡(luò)儀表 | APM510/520 |
| 按 IEC 國際標準設(shè)計，具有全電量測量、電能統(tǒng)計、電能質(zhì)量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的 DI/DO 模塊、AO 模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控。 |
有源諧波治理系統(tǒng) | AnSin??-G Ⅰ型 |
| 采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，并聯(lián)在系統(tǒng)中，兼補諧波和無功； 兼補諧波和無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償； 具備完善的橋臂過流、直流過壓保護、裝置過溫保護功能； 具備超前和滯后的功率因數(shù)校正功能； 具備動態(tài)過溫降載功能； 有源諧波治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務(wù)。 |
有源無功補償系統(tǒng) | AnCos??-G Ⅰ型 |
| 具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內(nèi)的諧波； 具備自動檢測運行、測量監(jiān)視和定值設(shè)定功能； 具備智能散熱和無極調(diào)速的功能； 具備動態(tài)擴容功能，支持插拔，方便更換； 具備過壓切除、過壓閉鎖、欠壓切除、超溫告警等保護功能； 有源無功補償系統(tǒng)配備有數(shù)據(jù)處理與分析平臺，通過對采集到的用戶現(xiàn)場數(shù)據(jù)與補償設(shè)備補償算法相結(jié)合，為用戶提供定制化的電能質(zhì)量治理服務(wù)。 |
混合動態(tài)諧波無功補償系統(tǒng) | AnCos??/??-G Ⅰ型 |
| 核心元器件IGBT選用英飛凌等進口品牌，響應(yīng)時間快，精度高、運行穩(wěn)定； 采用全數(shù)字、模塊化控制方式，采用DSP＋FPGA高速檢測和運算的數(shù)字控制系統(tǒng)監(jiān)控及顯示系統(tǒng)； 同時具備諧波治理、無功功率線性補償與三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能； 諧波補償次數(shù)：2-51次，可對2次～31次諧波電流進行全補償，或僅對諧波進行補償； 具備遠程通訊接口功能，并可通過PC機進行實時監(jiān)控； 分層式系統(tǒng)設(shè)計，三層系統(tǒng)各自獨立且相互耦合?；诠雀鐵lutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺，具備遠程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能，并支持IOS、安卓、PC多平臺交互。 |
5.2就地治理
曝氣風(fēng)機、水泵等末端設(shè)備，運行過程中不可避免的對整個供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波污染，電流畸變率一般會達到30%~50%。同時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荷類型為開關(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線進行疊加，導(dǎo)致N線電流過大。針對以上負載情況，建議在各重要設(shè)備的配電箱增加電能質(zhì)量補償設(shè)備進行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統(tǒng)和其他用電設(shè)備。
表2就地治理的產(chǎn)品選型見表2
設(shè)備名稱 | 產(chǎn)品型號 | 產(chǎn)品圖片 | 功能特性 |
APM系列 多功能網(wǎng)絡(luò)儀表 | APM510/520 |
| 按 IEC 國際標準設(shè)計，具有全電量測量、電能統(tǒng)計、電能質(zhì)量分析（包括諧波、間諧波、閃變）、故障錄波功能(包括電壓暫升暫降中斷、沖擊電流等記錄)、事件記錄功能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，主要用于電網(wǎng)供電質(zhì)量的綜合監(jiān)控。該系列儀表配有功能豐富的 DI/DO 模塊、AO 模塊、無線通訊模塊、漏電測溫模塊，可以靈活實現(xiàn)電氣回路全電量測量及開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控。 |
有源無功補償系統(tǒng)裝置 | AnCos?? Ⅰ型 |
| 具備無功功率線性補償、三相電流平衡治理和穩(wěn)定電壓的功能，同時可濾除5、7、11、13次以內(nèi)的諧波； 具備自動檢測運行、測量監(jiān)視和定值設(shè)定功能； 具備智能散熱和無極調(diào)速的功能； 具備動態(tài)擴容功能，支持插拔，方便更換； 具備過壓切除、過壓閉鎖、欠壓切除、超溫告警等保護功能； |
中線安防保護器 | ANSNP70-0.4/B |
| DSP+FPGA控制方式，響應(yīng)時間短，全數(shù)字控制算法； 末端治理，可濾除中性線中由3N次諧波或三相不平衡造成的過大電流； 具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能； 采用4.3英寸屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制； 多機并聯(lián)，達到較高的電流輸出等級； 壁掛式模塊設(shè)計，體積小，安裝便利，方便擴容。 |
諧波保護器 | ANHPD |
| 吸收3kHz~10MHz頻率各種能量的諧波干擾；消除高次諧波、高頻噪聲、脈沖尖峰、浪涌等干擾；矯正電壓、電流波形，克服由于高頻諧波污染引起的干擾，保障設(shè)備的安全運行。 |
有源諧波治理系統(tǒng)裝置 | AnSin?? Ⅰ型 |
| 壁掛式，可進行末端諧波治理； 功能設(shè)置：只補償諧波、只補償無功、既補償諧波又補償無功；保護類型：直流過壓保護、IGBT過流保護、裝置過溫保護、輸出限幅保護等；采用DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，并聯(lián)在系統(tǒng)中，兼補諧波和無功；兼補諧波和無功，可對2～51次諧波進行全補償或特定次諧波進行補償；基于谷歌Flutter框架構(gòu)建的遙信、遙控軟件平臺，具備遠程服務(wù)與數(shù)據(jù)處理功能，支持IOS、安卓、PC多平臺交互； 具備超前和滯后的功率因數(shù)校正功能，可將三相不平衡負荷調(diào)整至平衡； |
5.3電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)
（1）平臺拓撲
電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)平臺主要由電能質(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)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集與電能質(zhì)量補償?shù)龋锢砭W(wǎng)關(guān)實現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸以及對設(shè)備進行策略功能分配，數(shù)據(jù)經(jīng)由服務(wù)器*終以服務(wù)終端為媒介為用戶提供可視化展示。
（2）平臺展示
電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)除作為本地終端為用戶提供電能質(zhì)量監(jiān)測、治理與設(shè)備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務(wù)。
功能展示-可視化管理
項目站點信息
廠區(qū)概況
配電房設(shè)備補償運行狀態(tài)
語音警報
故障信息彈窗
效果對比-治理分析
負載測2-31次諧波柱狀圖
電網(wǎng)測2-31次諧波柱狀圖
負載測各相電壓及電流畸變率
電網(wǎng)測各相電壓及電流畸變率
設(shè)備展示-運行狀態(tài)
投切狀態(tài)
電容數(shù)據(jù)實時監(jiān)測
狀態(tài)展示-設(shè)備運行
負載測2-31次諧波柱狀圖
電網(wǎng)測2-31次諧波柱狀圖
負載測各相電壓及電流畸變率
電網(wǎng)測各相電壓及電流畸變率
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2000kva的變壓器，變壓器低壓側(cè)兩臺電容補償柜，補償容量為1000 kvar，柜內(nèi)為接觸器投切，且均為自動投切。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際運行情況，初步判斷是供配電系統(tǒng)有諧波擾問題。針對該問題，污水處理水廠委托第三方電能檢測機構(gòu)對事故發(fā)生點進行了電能質(zhì)量測試。
主要監(jiān)測參量：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)量測試選取的三處測試點A/B/C的諧波監(jiān)測結(jié)果均不合格，針對該結(jié)果進行以下具體分析：
測試點A為3臺152 kW的臭氧設(shè)備的電源進線端，2用1備。在污水處理廠運行期間，臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時，電流存在斷續(xù)工作的情況，諧波電流波動范圍值為33?? 284 A（圖1），數(shù)值波動很大，且變化周期短。在有電流工作狀態(tài)時，可以檢測到諧波電流，反之，無諧波電流。當臭氧設(shè)備處于電流斷流和有電流交替的工作狀態(tài)時，產(chǎn)生的諧波電流就會非常大。
（2）測試點B為4臺75 kW外排泵變頻柜的電源進線端。經(jīng)測試，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使用晶閘管等非線性電力電子元件實現(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)生的諧波會直接影響整個供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，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，對電網(wǎng)的沖擊就會更大。
（3）測試點C為變壓器二次側(cè)總出線端。受測試點A和B的諧波疊加影響，事故發(fā)生時，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，進而使系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流值大大超過了測試點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，同時對電網(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靜止無功發(fā)生器，防止無功補償柜受諧波影響損壞電容，也防止發(fā)生諧振，從而導(dǎo)致無功補償柜燒毀。容量按原先電容柜容量進行替換，功率因數(shù)可達1，減少客戶電費支出。
根據(jù)該污水處理廠電能質(zhì)量的實測結(jié)果，變壓器二次側(cè)含有5次、7次、11次、13次諧波，總諧波電流達到200A，諧波畸變率達到27.6%，所以建議安裝有源濾波器。*終在我公司的建議下，在變壓器的出線側(cè)，安裝了1臺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、水泵，使非線性設(shè)備負荷的種類和數(shù)量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備帶來巨大危害。但水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)諧波問題一直沒得到足夠重視，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)濟損失相當巨大。通過對水處理行業(yè)供配電系統(tǒng)電能質(zhì)量進行研究，結(jié)合系統(tǒng)平臺提出合理的整體解決方案，對改善供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行，保障設(shè)備的性能以及降低能耗均有重要意義。
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