有源濾波裝置在水處理行業配電系統中的應用

安科瑞 鮑靜君 劉邁

　　摘要：在水處理行業供配電系統中，涉及曝氣風機、提升泵、污泥脫水設備等負荷設備，導致異步電動機產生較多無功功率和大量的諧波，使系統功率因數下降，以及諧波對配電系統、負載產生較大的危害。就此，水處理行業需提高對電能質量的重視，通過有源濾波裝置治理，濾除諧波，從而節能降耗。

　　關鍵詞：水處理行業供配電系統；諧波；電能質量

　　1、水處理行業電能質量主要特征：

　　1.1水處理行業發展平穩，廠房建設逐年穩步增加；

　　1.2電機、水泵等負載長期工作，功率因數較高，無功補償較為穩定；

　　1.3主要諧波源為變頻器，且諧波含量較大，需要配置有源濾波設備進行諧波治理。

　　2、水處理行業主要設備

　　水處理行業污水處理廠的主要大功率設備包括曝氣風機、提升泵、污泥脫水設備以及干化成套設備等，還有大型空調系統、變頻器、通風設備。這些設備的變頻機構、控制部件都是典型的非線性負載，產生的諧波流入配電系統，污染電網，不僅會對無功功率補償設備造成潛在影響還會影響各類電氣設備正常運行，降低系統效率，增加電力成本。

　　2.1曝氣風機

　　污水處理曝氣風機的主要作用是為水池提供氧氣，主要用于的地方是沉砂池，曝氣風機連接到管道，然后管道連接至曝氣池底部的曝氣盤，曝氣風機將氣體鼓入曝氣池中，為微生物的活動，提供充足的氧氣，促進化學反應的進行。曝氣風機開啟時，功率因數為0.8，總諧波畸變率將近30%。

　　2.2提升泵

　　提升泵是一種集泵、電機、殼體、控制系統于一體的泵類產品，主要作用是污水提升到某一高度后使其按重力流方法運行，可以控制水量，從而控制反應池內污水濃度，提升泵功率因數0.75，諧波畸變率將近30％~40％。

　　2.3污泥脫水

　　脫水的方法，主要有自然干化法、機械脫水法和造粒法。自然干化法和機械脫水法適用于污水污泥。造粒法適用于混凝沉淀的污泥。污泥脫水設備主要產生5、7次諧波，污泥脫水設備功率因數0.8，諧波畸變率將近20％。

　　2.4變頻器

　　變頻器的主要作用是改變交流電機供電的頻率和幅值，因而改變其運動磁場的周期，達到平滑控制電動機轉速的目的，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，至大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命。大容量變頻器的使用需搭配進線電抗器使用，有效防止功率元件的擾動和沖擊，防止與有源濾波器沖突從而放大諧波，變頻器功率因數0.9，總諧波畸變率將近30％~50％。

　　3、水處理行業電能質量案例及解決方案

　　3.1事故現象

　　湖南某污水處理廠一臺2000kVA的變壓器，變壓器低壓側兩臺電容補償柜，補償容量為1000kVar，柜內為接觸器投切，且均為自動投切。在污水處理廠調試運行過程中，運行值班人員在巡檢時發現低壓配電室的電容補償柜內有一組電容器和電抗器燒毀，其他未受損且投入運行的電容器和電抗器經現場檢測發現溫度均在80～100℃，同時變壓器的噪聲和溫度明顯增加。

　　3.2電容柜損壞原因分析

　　1、電容電抗等元器件本身的品質問題。電容內部采用較差的黑膠填充，過熱易膨脹鼓包；外部材質采用鐵制外殼，在沿海城市或鹽霧濃霧高的場所；電抗器采用鋁芯，接口氧化高溫易爆；

　　2、現場施工安裝時，電氣連接件的緊固問題。接口處若有松動，連接點局部發熱；

　　3、電容電抗的參數匹配問題。串抗率不匹配，如選用480V配套7%電抗率的電容器和525V的14%電抗率電抗器，那么電容電抗不匹配會導致發生諧振；

　　4、環境因數。隨著現場環境溫度、濕度的變化，電容電抗參數變化，導致串抗率偏移的問題，電容電抗之間會產生串聯諧振，電流變大、發熱嚴重；

　　5、諧波電壓觸發的電容柜和負載之間的并聯諧振問題，導致母線電壓抬升，出現電容損壞或者負載設備過壓保護或損壞的現象。

　　3.3解決方案

　　測試點為變壓器總出線端，根據該污水處理廠電能質量的實測結果，變壓器總出線端含有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%。現場檢查電容電抗等器件，狀況良好，電抗率匹配，原因分析是由于諧波電流過大引起的線路及設備起火。最終在我公司的建議下，在變壓器的出線側，安裝了1臺300A有源濾波器，

　　目前現場諧波畸變率穩定在10%以下，電容柜長期穩定運行。

　　APF有源濾波器采用DSP+FPGA全數字控制方式，并聯在系統中，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；具備自動檢測運行、測量監視和定值設定功能；具備智能散熱和無極調速的功能；具備動態擴容功能，支持插拔，方便更換。

5、結論

　　水處理行業中的設備普遍采用變頻器、電機、水泵，使非線性設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和現場設備帶來巨大危害。但水處理行業供配電系統諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經濟損失相當巨大。有源濾波裝置對改善供電質量，提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。