Применение устройств гармонической защиты на металлургических предприятиях 

Основное оборудование Jingcheng Copper состоит из среднечастотных электропечей, которые являются типичными источниками гармоник, генерирующими значительные гармоники. Это мешает нормальной работе компенсационных конденсаторов, в результате чего коэффициент мощности становится ниже требуемого значения 0,9. Вследствие этого ежемесячно начисляются штрафы за реактивную мощность в размере примерно 12 000 йен. В летние месяцы температура трансформаторов достигает 75 °C, что приводит к потере электроэнергии и сокращению срока службы.

Источники гармоник

Литейный цех со среднечастотной электропечью питается напряжением 0,66 кВ, причем его основной нагрузкой является шестиимпульсная выпрямленная среднечастотная печь. Во время работы выпрямительное оборудование генерирует значительные гармоники при преобразовании переменного тока в постоянный, что является типичным источником гармоник. Попадание гармонических токов в сеть вызывает появление гармонических напряжений на импедансах сети, что приводит к искажению напряжения и тока в сети. Это негативно сказывается на качестве электроснабжения и эффективности работы, увеличивая потери в линии и отклонения напряжения. В результате это оказывает пагубное влияние как на сеть, так и на электрооборудование на самом заводе.

Гармонический анализ
1) Выпрямитель для среднечастотной печи использует шестиимпульсную систему управляемого выпрямления;
2) Выпрямитель генерирует нечетные гармоники частоты 6K+1. Применение разложения в ряд Фурье к форме тока показывает, что ток содержит гармоники более высокого порядка частоты 6K±1, что подтверждается данными испытаний среднечастотной печи.
Во время работы печи средней частоты генерируют значительные гармонические токи. Результаты испытаний и расчетов показывают, что доминирующие гармоники в основном проявляются в виде гармоник пятого порядка, при этом гармоники седьмого, одиннадцатого и тринадцатого порядка также демонстрируют значительную амплитуду. Это приводит к серьезным искажениям напряжения и тока.
Основные данные
1) Параметры среднечастотной печи: Среднечастотная печь питается от отдельного трансформатора мощностью 2 тонны. Кажущаяся мощность составляет S=2000 кВА, активная мощность — P=1800 кВт, реактивная мощность — Q=1020 кАР, коэффициент мощности — PF=0,87, напряжение питания — U=660 В, рабочий ток — I=1750 А.
2) Параметры трансформатора: модель трансформатора S11-2500KVA, напряжение 10000 В/660 В, номинальный ток I = 2186 А.
3) Фактические рабочие параметры: кажущаяся мощность S = 700 кВА–2200 кВА, активная мощность P = 600 кВт–2000 кВт, реактивная мощность Q = 550 кАР–1150 кАР, коэффициент мощности PF = 0,6–0,93, рабочий ток I = 430 А–1924 А.
Решения по снижению гармоник
Исходя из реальных условий предприятия, компания Shanghai Kunyou Electric Co., Ltd. разработала комплексное решение по фильтрации для подавления гармоник в печах средней частоты. С учетом коэффициента мощности нагрузки и поглощения гармоник, на низковольтной стороне трансформатора 2500 кВА 0,66 кВ было установлено устройство защиты от гармоник KYXBQ для управления гармониками.
1) В режиме работы системы 0,66 кВ после ввода в эксплуатацию устройства защиты от гармоник KYXBQ амплитуда и содержание определенных гармоник в точке поглощения устройства защиты от гармоник KYXBQ значительно снизились, а коэффициент мощности превысил 0,95.
2) Установка устройства защиты от гармоник KYXBQ не должна вызывать резонанс или приводить к резонансному перенапряжению или перегрузке по току для любой конкретной гармоники.
План окончательно утвержден.
Из-за значительного содержания гармоник, генерируемых во время работы среднечастотных печей (например, пятая гармоника достигает 21,5 % от основного тока), эти устройства оказывают различное воздействие на энергосистему, само оборудование и других пользователей. Кроме того, учитывая характеристики коэффициента мощности оборудования, при проектировании необходимо учитывать вопросы устранения гармоник, компенсации реактивной мощности и улучшения коэффициента мощности.
В соответствии с техническими характеристиками оборудования компания Shanghai Kunyou Electric Co., Ltd. разработала и установила устройство защиты от гармоник KYXBQ для компании Jingcheng Copper Industry на стороне трансформатора 0,66 кВ. Это устройство сочетает в себе фильтрацию и компенсацию реактивной мощности и служит в первую очередь для повышения стабильности системы электроснабжения и подавления гармонических токов с целью уменьшения ущерба, вызываемого гармониками.
Работа среднечастотной печи может быть разделена на фазу начального нагрева и фазу нормальной работы. Фаза начального нагрева является кратковременной, но характеризуется высокой концентрацией гармоник высших порядков. При проектировании необходимо учитывать, что каждая ветвь фильтра не должна усиливать эти высшие гармоники. Фаза нормальной работы составляет большую часть времени работы печи и характеризуется высоким уровнем тока и значительным содержанием гармоник. Данные испытаний показывают, что основными гармоническими компонентами являются 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники, причем 5-я гармоника является наиболее значимой и вызывает серьезное искажение напряжения.
Результаты управления
1) Введено в эксплуатацию устройство защиты от гармоник KYXBQ. Оно автоматически отслеживает изменения в различных нагрузочных устройствах среднечастотной печи, обеспечивая эффективную фильтрацию всех гармонических компонентов.
2) До устранения неисправности общее гармоническое искажение (THD) напряжения значительно превышало установленный национальным стандартом предел в 5 %. После устранения неисправности общее гармоническое искажение (THD) снизилось с 15,6 % до 3,4 %, и все гармонические компоненты теперь соответствуют требованиям национального стандарта GB/T 14549-93 «Качество электроэнергии — Гармонические излучения от систем электропитания».
3) После обработки устройством защиты от гармоник KYXBQ гармонические токи были эффективно смягчены. До активации 5-я, 7-я и 11-я гармонические токи значительно превышали допустимые пределы. После активации коэффициент поглощения всех избыточных гармонических токов превысил 80%, что соответствует проектным характеристикам оборудования. Например: 7-й гармонический ток уменьшился с 182 А до примерно 30 А, а 11-й гармонический ток уменьшился с 119 А до примерно 18 А. Все гармонические токи, вводимые в общую точку, теперь соответствуют требованиям национального стандарта GB/T 14549-93 «Качество электроэнергии — Гармонические излучения для общественных сетей».
4) После внедрения устройства защиты от гармоник KYXBQ коэффициент мощности системы значительно улучшился. Коэффициент мощности на стороне 0,66 кВ системы электропитания улучшился с примерно 0,87 до более 0,95. Это привело к экономии активной, видимой и реактивной мощности, что эффективно снизило потери как в электрическом оборудовании, так и в линиях электропередачи.
5) После устранения гармоник температура трансформатора снизилась с 75 до 50 градусов, что привело к значительной экономии энергии и продлению срока службы трансформатора.
6) Эта обработка эффективно улучшила качество электроэнергии, подаваемой в среднечастотную печь, повысила коэффициент использования среднечастотного источника питания и способствовала долгосрочной экономичной эксплуатации системы, тем самым увеличив экономическую выгоду.