磁性滤波器与无功补偿装置优化运行研究
王静波，张春志
（大庆油田第三采油厂规划设计研究所，黑龙江大庆 163113）
摘要:针对配电网谐波污染问题，提出通过“磁场滤波技术”，制造磁性滤波器解决变频调速系统这一配电网谐波根源的治理新方法，同时调整了系统的三相不平衡，提高了线路功率因数，达到节能降耗和保障安全生产的目的；针对无功补偿装置运行时率低的问题，采用无级补偿控制技术代替常规分组投切，确保了无功补偿装置的投运时率。
关键词：谐波；磁性滤波器；无极补偿；节能降耗
1系统运行现状及存在问题
近年来萨北油田低压配电系统出现了较重的谐波污染。从2007年测试结果看，主要谐波源是各类泵用变频器。据统计，变频器谐波电压总畸变率与变频器负载占变频器所在站点总负载比重有关，变频器负载占总负载比重越大，则被测变频器谐波电压总畸变率越大，直至超标。变频器谐波电流基本以5、7次谐波为主，5次谐波电流含有率一般在60%～80%之间，7次谐波电流含有率一般在40%～55%之间。转油系统、污水系统谐波污染程度较轻，部分谐波电压含量有超出国家标准值现象，谐波电流含量均超出了国家标准值；配注系统谐波污染程度最重，谐波电压、电流含量均出现了超出国家标准值的现象。
站用无功补偿装置投运时率低。油田站所一般采用动态无功补偿，站内母线功率因数在0.83～0.99之间，据统计，47.2%补偿柜运行效果良好，受补母线功率因数均达到0.9以上；11.6%的补偿柜补偿功率因数在0.83～0.89之间，没有达到油公司及国家规范要求；41.2%的补偿柜因电压高或设备损坏已无法投运。目前无功补偿装置存在无法投运或投运后电容器被烧毁、分组投切开关损坏等问题，致使低压配电网功率因数难以达到0.9以上，分析原因如下：
（1）通用型补偿电容器额定电压为400V，当系统电压高于400V时，电容器无法投运。金属自愈式电容器长时间投运在过高的电压下而被烧毁。电容器前端无限流电抗器，电容器在投切的过程中产生的瞬时高压也会损毁电容器。
（2）系统存在谐波。谐波电压叠加基波电压后，往往大于430V，导致电容器烧毁。谐波在电容器上将被放大，造成电容器长时间在过电压下运行。
（3）电容器分组投切开关寿命主要受开关的机械寿命限制。投切开关虽然是过零投切法，但这只是提高了电触头的电寿命，而对于开关频繁投切动作，其机械寿命仍无改善。
2 解决措施及技术方案
2.1 变频器谐波治理
变频器特征谐波以5、7、11、13次为主，谐波电流含有率高，电压畸变率大。变频设备固有功率因数很高，理论值 =0.955，如采用LC无源滤波技术治理效果不佳，易造成过补偿。LC无源滤波还有可能将谐波放大，造成滤波装置过流跳闸不能投入，即使能够投入运行其谐波滤除率也很低。有源滤波投资高、自身能耗大、运行不稳定。并且这两种方法是在谐波做功之后采取的补救性滤波方式。
目前，大庆油田还没有一套较为成熟的谐波治理方案，基于无源滤波和有源滤波在其他采油厂的实验结果，我厂和力迅电通科技（北京）有限公司合作，提出利用磁场滤波的方式（不含电容器）来治理变频器引发谐波的设想，即利用电场和磁场互相感应的原理，通过减小或消除谐波磁通来达到消除谐波电流的目的。通过对磁路结构、绕阻接线及三相对称排列方式的研发设计，得出了滤波新技术，即磁场滤波技术，并研制了品字型磁性滤波器。
磁场滤波技术是利用电磁转换原理和磁场滤波技术，将谐波电能转换为磁能。谐波电流产生的磁场在磁性滤波器特殊品字型磁路结构中，被分解为方向相反的磁通，在铁芯磁路中相互抵消，从而达到对电能谐波滤除的目的。
磁性滤波器是无源类产品，本身耗能极低，不存在电容器补偿，不涉及过补问题，可把谐波消除在没有做功之前，属于预防式谐波治理方法，同时提高功率因数、抑制浪涌和改善三相不平衡。
图1：变频支路磁性滤波方案
2.2改变无功补偿装置运行方式
我厂站用低压配电系统采用集中就地补偿。补偿电容为三相同投同切，接触器投切频繁，易损坏，又由于母线电压相对较高和三相不平衡，造成电容器运行时率较低。基于磁性滤波原理，我们对无功补偿装置运行方式进行了改造：取消电容补偿柜内的投切开关，在电容器后端加装3台空芯限流电抗器，构成一条容性支路；同时加装1台可控电抗器，构成一条感性支路，与容性支路并联。
（1）通过控制程序实时调节可控电抗器电流来改变三相主线圈激磁电流和激磁电抗，从而调节可控电抗器发出的感性电流。同时感性电流与多余的容性电流中和，吸收过补容性电流。随着负荷的波动，感性电流可以不断的改变，吸收多余容性电流，从而达到稳定功率因数的目的。
（2）将3台限流电抗器的电抗率，调整在系统特征谐波频率附近，起到了限流和滤波双重作用。
图2：母线无级补偿滤波方案
3 治理效果
以北17-1注入站谐波治理和无功补偿改进运行为例，本站共安装磁性滤波器5台，无级补偿滤波装置1套。试验分两部分，磁性滤波试验和无级补偿滤波试验。
3.1 磁性滤波试验
3.1.1 变频器配电回路试验测试
本站共有5台注入泵，均采用变频器控制，泵功率为45kW，变频器功率为45kW，开环手动调节，变频器输出频率在0～45Hz之间，磁性滤波器串联在变频器上侧。以3#泵为例，测试时频率为39Hz，磁性滤波器投入前后电能质量数据见表1所示：
表1 注入泵电能质量表 （测试时间：15分钟）
|
测试项目 |
投运前 |
投运后 |
效果 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
A相 |
B相 |
C相 |
三相平均值 |
|
电压总谐波畸变率(%) |
6.0 |
5.7 |
5.7 |
1.7 |
1.8 |
1.7 |
↓70.2% |
|
电流(A) |
63.2 |
59.4 |
56.6 |
44.9 |
45.4 |
43.7 |
↓25.1% |
|
电流畸变率（%） |
99.7 |
101.9 |
100.6 |
23.2 |
22.6 |
22.9 |
↓77.3% |
|
5次谐波电流(A) |
34.2 |
32.9 |
30.0 |
9.4 |
9.3 |
9.1 |
↓71.3% |
|
7次谐波电流(A) |
26.1 |
23.7 |
24.2 |
3.1 |
3.1 |
3.0 |
↓87.4% |
|
功率因数PF |
0.69 |
0.68 |
0.68 |
0.90 |
0.91 |
0.91 |
↑32.4% |
3.1.2低压母线侧测试结果
该站变压器额定容量为400kVA，短路阻抗5.96%，带有5台45kW的注入泵。5台磁性滤波器投入前后母线电能质量测试数据见表2所示：
表2 母线电能质量表 （测试时间：15分钟）
|
测试项目 |
投运前 |
投运后 |
效果 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
A相 |
B相 |
C相 |
三相平均值 |
|
电压总谐波畸变率(%) |
5.7 |
5.4 |
5.3 |
2.2 |
2.2 |
2.1 |
↓60% |
|
电流(A) |
258.2 |
248.3 |
227.9 |
232.4 |
233.9 |
223.6 |
↓6% |
|
电流畸变率（%） |
53.1 |
54.2 |
54.4 |
22.4 |
22.3 |
22.4 |
↓58.4% |
|
5次谐波电流(A) |
106.9 |
103.8 |
97.5 |
47.8 |
46.9 |
45.1 |
↓54.6% |
|
7次谐波电流(A) |
49.4 |
46.8 |
45.1 |
16.3 |
17.1 |
15.8 |
↓65.2% |
|
功率因数PF |
0.85 |
0.87 |
0.85 |
0.91 |
0.91 |
0.92 |
↑6.5% |
3.1.3取得的治理效果
（1）原变频器配电回路电压总畸变率在5.7%左右，母线电压总畸变率在5.4%左右，均超出了国家标准规范。治理后，变频器配电回路电压总畸变率降到2%以下，母线电压总谐波畸变率降到2.2%左右。
（2）变频器配电回路5次谐波滤除率在70%左右，7次谐波滤除率在87%左右；母线5次谐波滤除率为54%，7次谐波滤除率为65%。
（3）变频器配电回路的功率因数由0.68提到了0.9以上；母线功率因数由0.85提高到了0.9以上。
（4）电压波形有所改善，电流波形由“双峰”趋近于正弦波。
（5）变频器配电回路总有效电流值降低了25%，母线总有效电流降低了6%，三相电流不平衡度降低65%左右。
3.2 无级补偿滤波试验
17-1注入站低压母线电压较高，达410V，母线电压、电流畸变率较大，导致无功补偿装置一直无法投运。本次试验将原无功补偿柜拆除，将无级补偿滤波装置并联到低压母线上。补偿容量为60 kvar。滤波补偿设备投入前后测得的母线电能质量数据见表3所示：
表3 母线电能质量表 （测试时间：15分钟）
|
测试项目 |
投运前 |
投运后 |
效果 |
|
A相 |
B相 |
C相 |
A相 |
B相 |
C相 |
三相平均值 |
|
电压总谐波畸变率(%) |
2.2 |
2.2 |
2.1 |
1.7 |
1.8 |
1.6 |
↓21.7% |
|
电流(A) |
232.4 |
233.9 |
223.6 |
220.4 |
223.3 |
212.5 |
↓4.9% |
|
电流畸变率（%） |
22.4 |
22.3 |
22.4 |
17.3 |
17.2 |
17.4 |
↓22.8% |
|
5次谐波电流(A) |
47.8 |
46.9 |
45.1 |
33.4 |
34.1 |
32.6 |
↓28.3% |
|
7次谐波电流(A) |
16.3 |
17.1 |
15.8 |
14.1 |
14.3 |
13.9 |
↓14.0% |
|
功率因数PF |
0.91 |
0.91 |
0.92 |
0.98 |
0.98 |
0.98 |
↑7.3% |
因该站5台注入泵变频同时应用了磁性滤波器，安装无级补偿滤波装置后，该站母线谐波含量得到了进一步滤除，功率因数进一步被提高：
(1)谐波电压含量在磁性滤波的基础上又被滤除了21.7%，谐波电流又被滤除22.8%。
(2)母线功率因数由0.91提高并稳定在0.98～0.989之间。
(3)负载总有效电流值降低了5%，进一步改善了电流波形的连续性，消除了变频器开关元件周期断开所形成的电流为零的死区。
3.3 结论
(1)磁性滤波器可以降低配电网由于变频器引发的谐波含有率。谐波污染越重滤除率越大，同时改善了电压、电流波形。
(2)磁性滤波器改善了配电网的三相不平衡，降低了负载电流有效值，提高了配电线路功率因数，吸收了配电网中浪涌峰值，降低了配电网的能耗。
(3)磁性滤波器治理变频器产生的谐波有显著效果，不仅适用于配注系统、转油系统，同时还可用于机采井变频器的谐波治理，6kV高压线路的谐波治理。
(4)无级补偿滤波装置更好地解决了常规无功补偿装置存在的问题，提高了无功补偿装置的运行时率，延长了电容器的使用寿命。
4.1 项目的创效情况
（1）变压器铁损节省费用。
（2）变压器铜损和线损节省费用。
（3）功率因数提高带来无功损耗减少节省费用。
（4）减少停产损失的产能收益。
（5）设备维修费用：按变频器及泵每年维修一次计算。
（6）延长设备使用寿命：治理后，按变频器及所带的各类泵可延长使用寿命10年计算。
具体节能收益见表4。
表4 17-1注入站治理后年收益明细表
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合计年节约费用(万元) |
10.38 |
|
设备费(万元) |
19 |
|
设备回收期(年) |
1.83 |
|
治理前电费（年） |
63.84 |
|
治理后电费（年） |
53.46 |
|
节电率 |
16% |
|
年投资回报率(%) |
55% |
|
设备使用年限 |
15 |
|
总体净收益(万元) |
155.70 |
4.2 项目的应用前景
变频器的广泛应用为我厂节能降耗做出了积极贡献，同时带来的谐波问题也不容忽视。经试验证明，磁性滤波器治理谐波效果显著，在消除谐波、改善电压和电流波形的同时，净化了配电系统电能质量，提高了线路功率因数，取得了节能降损的成效。本项目的实施在电机变频系统谐波治理、节能降耗方面开辟了新的途径，有广泛推广应用的价值。
无级补偿滤波技术，集无功补偿和滤波为一体，综合治理配电系统电能质量，可以更好地解决无功补偿存在的问题，可在负载较多，系统问题复杂的站点推广应用。
