污水處理廠(chǎng)諧波問(wèn)題分析及治理

引言

為了提高污水處理工藝的處理能力和控制水平,污水處理廠(chǎng)大量使用了非線(xiàn)性特性的用電設(shè)備,如變頻器、臭氧發(fā)生器、磁懸浮風(fēng)機(jī)等。雖然這些改進(jìn)使污水處理廠(chǎng)的運(yùn)行效果提升明顯,但這些設(shè)備所產(chǎn)生的大量諧波給供配電系統(tǒng)帶來(lái)了極大的不穩(wěn)定性,嚴(yán)重的還會(huì)損毀系統(tǒng)中的電氣元件和用電設(shè)備,造成污水處理廠(chǎng)的運(yùn)行中斷。

1事故現(xiàn)象

某化工園區(qū)污水處理廠(chǎng)采用sCB11-2500kVA干式變壓器,變壓器低壓側(cè)配有兩臺(tái)電容補(bǔ)償柜,補(bǔ)償容量為1000kvar,柜內(nèi)為接觸器（負(fù)荷開(kāi)關(guān)）投切,且均為自動(dòng)投切。在污水處理廠(chǎng)調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中,運(yùn)行值班人員在巡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)低壓配電室的電容補(bǔ)償柜內(nèi)有一組電容器和電抗器燒毀,其他未受損且投入運(yùn)行的電容器和電抗器經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)溫度均在80～100℃,同時(shí)變壓器的噪聲和溫度明顯增加,現(xiàn)場(chǎng)75kw外排泵的配套變頻柜內(nèi)噪聲也有所增大,且位于外排泵附近的部分儀表（兩臺(tái)Cos61D溶氧儀、兩臺(tái)FMU90超聲波液位計(jì)、一臺(tái)FMx21靜壓液位計(jì)）顯示數(shù)值異常。顯示異常的儀表在返廠(chǎng)檢修后發(fā)現(xiàn)儀表內(nèi)主板均有不同程度的損壞。

2事故原因檢測(cè)

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(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況,初步判斷是供配電系統(tǒng)有諧波干擾問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題,污水處理水廠(chǎng)委托第三方電能檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)事故發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試。

主要監(jiān)測(cè)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?xún)?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(wú)功功率、功率因數(shù)、電壓/電流的瞬態(tài)值及波形。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的分析依據(jù)為相關(guān)的國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,具體如下:

（1）公共電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。

（2）公共連接點(diǎn)的全部用戶(hù)向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過(guò)表2中規(guī)定的允許值。

（3）當(dāng)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的最小短路容量不同于表2基準(zhǔn)短路容量時(shí),按以下公式進(jìn)行修正:

式中,sk1為公共連接點(diǎn)的最小短路容量:sk2為基準(zhǔn)短路容量:Inp為表2中的第n次諧波電流允許值:In為短路容量為sk1時(shí)的第n次諧波電流允許值。

（4）在公共連接點(diǎn)處第i個(gè)用戶(hù)的第n次諧波電流允許值（Ini）按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中,si為第i個(gè)用戶(hù)的用電協(xié)議容量:st為公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量:α為相位迭加系數(shù),按表3取值。

3事故原因分析

本次電能質(zhì)量測(cè)試選取的三處測(cè)試點(diǎn)A/B/C的諧波監(jiān)測(cè)結(jié)果均不合格,針對(duì)該結(jié)果進(jìn)行以下具體分析:

（1）測(cè)試點(diǎn)A為3臺(tái)152kw的臭氧設(shè)備的電源進(jìn)線(xiàn)端,2用1備。在污水處理廠(chǎng)運(yùn)行期間,臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時(shí),電流存在斷續(xù)工作的情況,諧波電流波動(dòng)范圍值為33～284A（圖1）,數(shù)值波動(dòng)很大,且變化周期短。在有電流工作狀態(tài)時(shí),可以檢測(cè)到諧波電流,反之,無(wú)諧波電流。當(dāng)臭氧設(shè)備處于電流斷流和有電流交替的工作狀態(tài)時(shí),產(chǎn)生的諧波電流就會(huì)非常大。

（2）測(cè)試點(diǎn)B為4臺(tái)75kw外排泵變頻柜的電源進(jìn)線(xiàn)端。經(jīng)測(cè)試,該變頻柜滿(mǎn)載后產(chǎn)生的諧波含量在35%左右,且返廠(chǎng)維修的5塊在線(xiàn)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(guò)使用晶閘管等非線(xiàn)性電力電子元件實(shí)現(xiàn)的,這種方式可以很好地滿(mǎn)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(huì)直接影響整個(gè)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,尤其是在同一線(xiàn)路中裝有數(shù)量較多或功率較大的變頻器時(shí),對(duì)電網(wǎng)的沖擊就會(huì)更大。

(3）測(cè)試點(diǎn)C為變壓器二次側(cè)總出線(xiàn)端。受測(cè)試點(diǎn)A和B的諧波疊加影響,事故發(fā)生時(shí),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(jìn)而使系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流值大大超過(guò)了測(cè)試點(diǎn)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(shí)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)的其他用電設(shè)備也造成了不同程度的影響。

4諧波治理方案

通過(guò)上述分析,可得出該污水處理廠(chǎng)供配電系統(tǒng)內(nèi)存在比較嚴(yán)重的諧波問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題,提出就地諧波治理和集中諧波治理同時(shí)進(jìn)行的方案。

4.1就地治理方案

針對(duì)該污水處理廠(chǎng)臭氧設(shè)備在運(yùn)行時(shí)電流波動(dòng)較為嚴(yán)重并伴有諧波振蕩的問(wèn)題,要求臭氧設(shè)備廠(chǎng)家在保證臭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下,根據(jù)系統(tǒng)工藝對(duì)臭氧需求量變化的要求,優(yōu)化運(yùn)行模式,盡可能地減小臭氧設(shè)備電流波動(dòng)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響。

污水處理廠(chǎng)使用的4臺(tái)75kw外排泵變頻器運(yùn)行時(shí)電流較大,且滿(mǎn)載諧波含量嚴(yán)重超標(biāo)(圖2）,建議在變頻器輸入側(cè)和輸出側(cè)加裝變頻器原廠(chǎng)配套的消除諧波影響的配件。首先,在輸入側(cè)加裝交流電抗器,有效增大輸入側(cè)的阻抗,減弱系統(tǒng)電源波動(dòng)對(duì)變頻器的沖擊。其次,在輸出側(cè)加裝濾波器,減小輸出側(cè)的高次諧波與浪涌電壓,防止變頻器產(chǎn)生的諧波干擾影響到周?chē)渌姎庠O(shè)備和儀表。

4.2集中治理方案

根據(jù)該污水處理廠(chǎng)電能質(zhì)量的實(shí)測(cè)結(jié)果,變壓器二次側(cè)含有多種諧波成分,且諧波含量復(fù)

雜,建議安裝有源濾波器。有源濾波器可濾除的諧波次數(shù)范圍廣（可濾除2～60次諧波）,響應(yīng)

速度快,且在其額定功率下,諧波電流濾除率可高達(dá)95%。在總配電室配套安裝有源濾波器的

情況下,可集中濾除系統(tǒng)諧波,不僅能提高污水處理廠(chǎng)電網(wǎng)的用電質(zhì)量,還可以大大減少諧波電流在輸配電線(xiàn)路上產(chǎn)生的電能損耗,節(jié)約運(yùn)行成本,同時(shí)降低用電設(shè)備的發(fā)熱、減少絕緣老化、延長(zhǎng)使用壽命,降低污水處理廠(chǎng)的維護(hù)成本。對(duì)于污水處理廠(chǎng)而言,有源濾波器的安裝成本較高,但考慮到處理廠(chǎng)的全生命周期,安裝有源濾波器還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)某污水處理廠(chǎng)的電能質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果和諧波問(wèn)題的深入分析,證明了諧波問(wèn)題是該污水處理廠(chǎng)本次事故的主要原因,并針對(duì)該問(wèn)題提出了相應(yīng)的就地治理和集中治理結(jié)合的方案。在該污水處理廠(chǎng)按提出的方案完成改造后,整個(gè)供配電系統(tǒng)運(yùn)行正常,諧波參數(shù)達(dá)到國(guó)家規(guī)范要求,同時(shí)也提高了供配電設(shè)備的使用效率和系統(tǒng)的功率因數(shù),節(jié)能效果顯著。因該諧波治理方案取得的良好效果,本集團(tuán)將其納入至內(nèi)部的電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。此后,在集團(tuán)現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)提標(biāo)改造和新建污水處理廠(chǎng)設(shè)計(jì)階段,以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電氣設(shè)計(jì),真正做到了從源頭杜絕電網(wǎng)的諧波污染,確保了污水處理廠(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。