10kV高压谐波治理兼无功补偿治理方案
1 系统概述
根据某铜业厂提供的现有配电系统情况可知，工厂现有35KV进线一条，该线非该厂专线。厂内主要负荷为电解铜生产线及大功率电机等用电设备。因电解铜生产线采用的是可控硅整流装置。由于可控硅整流装置的六脉及12脉整流特性，在运行过程中将产生以6N±1和12N±1（N为正整数）为主的谐波电流注入电网，危及到其它用电设备及电网的用电安全。同时因系统功率因数比较低，故用户在10KV母线上安装了一套高压电容补偿柜，但由于电解铜等用电设备在运行时产生了较大的谐波注入系统，而电容补偿柜在投入后又与系统发生并联谐振，对系统谐波进一步放大，造成电容补偿装置在谐波环境下运行因过载而发生较大的异常声音，甚至造成部分电容柜无法正常投入，经常造成高压补偿电容器的熔丝爆炸烧毁。
用户配电系统一次示意图如图1所示。
图1用户配电系统示意图
2系统用电参数分析
根据对厂内变电站10KV I段母线的谐波测试数据分析，可将运行时有功功率、无功功率、功率因数及谐波的变化可归纳为：
（1）10KV母线平均功率因数约为0.92左右，
（2）母线协议容量10MVA，
（3）主要谐波源类型：热电解铜及大功率电机等，
（4）10KV线路三相功率数据分析
段10KV I段母线正常运行时负荷基本相等，且负载相对较稳定。有功功率基本都8000kW左右，功率因数相对较低，约0.92左右，无功功率也基本在2800kVar～3300kVar之间变化。
3谐波分析
因负载大部分采用的是六脉波及12脉波整流，产生的主要谐波为：6N±1次及12N±1（N为工频频率倍数）。故10KV段谐波的特征次为5、7、11、13．．．．．．。其中5、7、11次谐波相对较大，故滤波装置应考虑以滤除5、7、11次谐波为主的滤波方式。根据我司于2007/09/21日对配电系统10KV母线 I段的谐波测试数据分析，将设备运行时产生的各次谐波值分析如下：
35kV侧用户协议容10MVA，设备容量90MVA，正常方式下短路容量为689MVA。
为了对滤波装置的滤波效果要求更为严格，故各次谐波电流注入允许值可按最小短路容量为689MVA的标准来考核，见表1。
表1：35kV变电站电源开关进线侧注入公共连接点的谐波电流允许值
允许值及各次谐波电流实际侧量值，因15次以上的各次谐波相对较小，表中不一一列出。
上述谐波电流通过主变返送到电网，会造成上级电网母线谐波电流（电压）超标。因此，本方案设计在10kV母线I段上安装一套高压滤波补偿装置，使10kV接入点（考核点）的谐波及功率因数满足国家标准的要求。
国标GB/T 14549-93规定如下：
公用电网谐波电压（相电压）限值见表3。
4谐波电流允许值
公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表3中规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表3中的谐波电流允许值的换算见附录B（补充件）
表4注入公共连接点的谐波电流允许值
5确定基波无功功率补偿容量
根据前面对I段母线现场的谐波测试数据分析可知，10kV母线I段总进线端的功率因数为0.92左右，有功功率在8000kW之间。平均功率因数在0.92左右，系统所缺的无功基本都在2800～3300kVar之间。
按如下公式即计算出需要补偿的无功功率
Q＝P（－）取COS=0.98
得到需要补偿的无功功率Q＝1800kVar，以下将以此无功补偿容量作为设计各滤波回路的依据，同时考虑其它部分小负荷接入运行或所有负荷都满负荷运行时，10kV I段母线所需的无功补偿量。
6 滤波补偿对网压波动的改善预测
引起网压波动的原因在于电网无功功率的变化，有关网压波动的计算公式如下：
△Sb—系统基准容量
△电压波动最大值为：
△Vmax(%)=100*△Qmax/Sc
Sc=Sb/Xs Sc—供电点至电源的短路阻抗标么值。
补偿前的Vmax(%)=100*△Qmax/Sc=100*3.3/156=2.1
补偿后的Vmax(%)=100*△Qmax/Sc=100*1.5/156=1 –取补偿前相同有功功率为参考。滤波补偿对网压波动的改善是明显的。
710kV侧滤波补偿FC方案设计
7.1滤波方案的确定
采用三频率点滤波，用系统仿真分析比较了多组滤波组合的滤波效果，并从中选出5，7， 11次三个滤波支路为组合方式，因系统中11次以上的各次谐波分量较小，故本方案设计11次采用高通滤波。在相同基波的补偿容量下，采用5，7， 11次滤波组合有利于吸收系统中的5,7， 11次及11次以上的各谐波，同时对其它次谐波也不会产生放大作用。为了更好地吸收11次及11次以上的特征谐波电流，方案设计时将适当加大11次的安装容量。滤波系统投入后对于4次，6次，9次谐波有大约1.5倍的放大，由于系统中4，6，9次谐波本身就比较小，故不会对系统产生影响，也不会超标。仿真分析给出谐波吸收曲线：
图210k V(156MVA)滤波组合——谐波吸收率图
图310kV(156MVA)滤波组合——系统阻抗图
图示表明高压滤波补偿装置投入后，10kV系统不会发生特征谐波频率放大，线路短路容量小的对谐波电流吸收效果优于短路容量大的。曲线看出注入主变的2次电流为105%，3次为110%，4次为130%，5次谐波电流为
35%，6次为120%，7次为30%，8次为70%，9次为80%，10次为150%，11次为25%， 11次以上平均为70%。由此可见，滤波装置投入后对第3、4、6、10次谐波电流略有放大。考虑到系统的阻尼特性，谐波电流数值会较计算值小。从谐波阻抗图2可算出滤波不接和滤波接入的各次谐波电压及总谐波电压值。将各次谐波电流乘以该次谐波阻抗值（变压器），即得到该次谐波电压值，将各次谐波电压值的平方求和后开平方，得到U THD值。
7.2 滤波回路组合的电路结构
每相回路由滤波电容与滤波电抗串联，三相由三个单相接成Y型，中性点绝缘，含开口电压检测保护，电流不平衡检测保护等。电容器组并接放电线圈，各滤波回路接入避雷器，熔断器等。电路原理见下图，图4以10kV母线I段为例给出主原理图，滤波回路由高压控制柜的真空接触器控制，共有控制柜3台。
图4滤波系统一次原理图
表5 10kV滤波电容器电抗器参数表
电抗器的额定电流是指该回路的基波电流与各次谐波电流均方根值。
表7 1#滤波电抗器参数
