浅谈目前应用广泛的谐波治理补偿成套装置

      关键词：无功补偿谐波治理滤波补偿

      摘　要：河南逐鹿电力设备（集团）公司是专业从事电力变压器、断路器、
箱式变电站、高低压无功补偿成套装置、无源电力滤波补偿装置、专用谐波治理
补偿成套装置等输配电设备和电网电能谐波治理成套装置研发、生产、销售的大
型企业。集团由中外合资河南逐鹿变压器有限公司、中外合资新乡逐鹿协力电力
设备有限公司、河南逐鹿电器有限公司、新乡中原变压器有限责任公司和新乡逐
鹿变压器波纹油箱厂五家控股（独资）企业组成。集团产品畅销20多个省、市、
自治区，先后服务于国家重点工程格尔木—拉萨铁路和黄河二桥、深圳地铁等重
大项目，并远销东南亚、蒙古国等多个国家和地区。集团坚持长期引进国外技术，
聘请多名国外专家到公司工作，与国内清华大学、沈阳变压器研究所等建立了长
期的人才培养和技术合作关系，不断壮大自身产品研发实力；建立了省级企业技
术中心，拥有一支强大的科研人才队伍，取得了多项国家专利，产品的设计、制
造、质量、性能均达到国内先进水平。

      关键字：无功补偿谐波治理成套装置专用滤波补偿

      我国电力事业的蓬勃发展给输变电设备制造业带来了机遇和挑战。根据国
家“十一五”的电力发展规划：“十一五”期间，发电量年均增长6 ％～6.75％，
2010年发电量将达3.2 万亿kW～3.3 万亿kW，相应需要发电装机7 亿kW～7.3 亿
kW.5年新增发电装机2.15亿kW～2.45亿kW，年均增加4300万kW～5000万kW. 在机
遇和挑战中不断成长壮大起来的河南逐鹿电力设备（集团）公司，积聚了大批优
秀的精英人才，在高科技的支持下，新产品开发和企业管理工作已达到相当水平，
形成了完整的企业文化，提升为跨地区、跨所有制形式的新型企业，生产销售十
余个类别、一百多个规格品种的输配电设备和电网电能谐波治理成套装置。下面
就简单谈谈目前公司生产的应用广泛的谐波治理补偿成套装置。　　一、无功补
偿成套装置

      1 、高压MCR 型动态（SVC ）无功补偿装置

      MCR 型可控电抗器动态无功补偿系统由并联固定电容器组（兼滤波）和先
进的磁控可调电抗器（MCR ）组成。磁控电抗器的电感量无级可调，能自动快速
跟踪补偿负荷无功、稳定母线电压。该系统控制器采用16位微电脑芯片，能实时
检测电网无功和电压参数，对磁控电抗器实施快速、准确控制。

      系统接线示意图

      无功自动跟踪补偿装置采用固定电容器配合磁控电抗器的方式，当系统无
功过剩时，固定补偿电容器发出的容性无功由电抗器吸收；当缺乏无功时，电抗
器容量自动减小，由补偿电容提供容性无功。磁控电抗器控制装置实时测量计算
系统有功功率、无功功率、功率因数和母线电压，并调整电抗器的输出容量，使
系统在保证母线电压合格的条件下，无功最小。

      2 、高压TCR 型动态无功补偿装置

      SVC 如图接入系统中，电容器提供固定的容性无功Qc，补偿电抗器通过的
电流决定了补偿电抗器输出感性无功QTCR的大小，感性无功和容性无功相抵消，
只要能做到系统无功Qn=Qv （系统所需）-Qc+QTCR= 常数（或0 ），则能实现电
网功率因数= 常数，电压几乎不波动，关键是准确控制晶闸管的触发角，得到所
需的流过补偿电抗器的电流，晶闸管变流装置和控制系统能够实现这个功能，采
集母线的无功电流值和电压值，合成无功值，和所设定的恒无功值（可能是0 ）
进行比较，计算得触发角大小，通过晶闸管触发装置使晶闸管流过所需电流。

      对于不对称负荷，利用steinmets 理论实现分相调节，消除负序电流，平
衡三相电网。

      3 、高压数码编组自动投切无功补偿成套装置目前，电力系统广泛使用的
传统型高压并联电容器补偿装置，由于不分组手动（或自动）投切，补偿后无法
满足系统无功不断变化的需求，因而功率因数不能达到比较高而且平稳的水平，
当系统重载时应投入足够的无功补偿容量，而当主变轻载后必须及时切除投入的
电容器，否则可能会因过补偿使电压升高造成事故。如果采用传统的分组投切电
容器补偿装置来满足由于负荷变化引起的无功需求，则可能存在由于设备安装复
杂，安装所需要的材料较多，装置占地面积增大等问题。数码编组自动投切无功
补偿装置很好地解决了以上问题，装置是分组自动投切补偿的，补偿功率因数可
保证在任何时候不低于设定的数值，在系统轻载时装置会自动切除多余的补偿电
容器，不会使系统电压升高。一般情况下，编码投切的电容器组最小投切单元的
容量会设计成系统最低无功需求的容量，每个电容器组均设有过流、过压、欠压、
速断、三相不平衡等保护，而这些保护对单台电容是十分可靠的，由于每次投入
的容量减小，对于线路的冲击也大大减小，安装费用低廉，占地面积也大大减小。

      4 、高压柱上式无功补偿成套装置

      ZL/TBBZ 柱上式无功自动补偿装置

      ZL/TBBZ 型柱上式自动投切线路无功补偿装置是由支持绝缘子、跌落式专
用高压熔断器、自动投切负荷开关以及并联电容器、钢结构框架等组成的新型成
套设备。它具有体积小、重量轻、安装简便、自动化程度高之优点。主要用于6kV
和10kV配电线路上，对电容器按供电峰谷时段，电压高低实现自动投切。它在改
善电网供电电压、提高功率因数、降低线路损耗上具有投资少，见效快的特点，
尤其适用于农村电网进行线路补偿。

      本装置设计充分考虑农村电网无功补偿之要求－分散补偿，安装快捷，不
占耕地，维修方便。在保证电气安全的前提下，框架结构紧凑，体积达到最小，
适合安装于任一地点的杆木上，其两侧装有可折叠的检修平台，以便工作人员检
修之用。装置中用于过电流保护与隔离的跌落式熔断器，不仅能避免补偿电容器
承受过电流的危害，也能配合负荷开关开断一定大的短路电流，给装置的安装点
带来了充分的选择性。负荷开关可以根据电压对电容器进行自动投切，电容器本
身带有放电电阻，在分断后能自行放电，延长了电容器的使用寿命。

      5 、低压无功补偿成套装置ZL/WZJ系列低压无功补偿柜用于低压电网的无
功功率补偿，以提高电网功率因数，降低线路损耗，改善电能质量。该系列低压
无功补偿柜以智能型无功功率控制器为核心，利用电容型接触器作为电容器组的
投切器件，根据电网功率因数自动进行投切电容，确保电网始终具有较高的功率
因数。ZL/WZJ型低压无功补偿柜的补偿元件为电容器，可用于谐波不高的场合；

      WZJ 系列电能质量监控及低压无功自动补偿装置，通过柜内装设的自动无
功补偿控制器的动作，自动地控制柜内并联电容器组的投入和切除，使电网的无
功消耗保持在最低状态，从而提高电网电压质量，减少输电系统和变压器的损耗。
同时也可以通过转换开关对并联电容器组的投切进行手动的控制。达到调节系统
电压，节约能源的目的低压分相投切自动无功补偿成套装置，如用户需要可将无
功功率补偿和照明配电集于一体，可具有“补偿”和“配电”双重功能。该装置
能自动检测各相负载的功率因数，而自动分相投入各相所需的电容量，使各相的
无功功率补偿达到最佳状态。对改善电网功率因数、提高电网效率、减少线路损
耗、改善电压质量、节约用电、增大变压器有功容量、降低配电线路成本等有显
著效果。装置均采用先进的数字仪表，使参数更加准确、直观，便于操作人员掌
握。

      二、高压无源电力滤波及无功补偿成套装置1 、通用型高压无源电力滤波
及无功补偿成套装置钢铁、石油化工、冶金、煤炭以及印染等行业的负荷在工作
过程中产生大量谐波，对电力系统造成严重的污染，影响供电质量。无源电力滤
波装置就近吸收谐波源产生的谐波电流，是抑制谐波污染的一种有效措施。无源
电力滤波装置主要由滤波电容器、空心滤波电抗器和无感电阻的适当组合而成，
运行中与谐波源并联，起滤波作用并兼顾无功补偿和调压的需要。由于它经济实
用、结构简单、运行可靠、维护方便等原因，得到了广泛应用。

      无源电力滤波器主要由滤波电容器、滤波电抗器和无感电阻器等适合连接
组成，完成滤除谐波兼顾无功补偿的作用。其主要的工作原理是电路的串联谐振，
在某一个谐波频率下，当电容器的容抗和电抗器的感抗相等时，其串联等效电抗
为很低值，对相应频次谐波表现出低阻抗，从而有效的抑制了流向系统或其它负
荷的谐波电流，改善了系统的电压畸变。

      按结构和接线方式分，无源电力滤波器主要有以下几种：单调谐波滤波器、
双调谐波滤波器、C 型滤波器、高通滤波器等。单调谐波滤波器是工程中使用最
多的滤波器，它仅对某一次谐波起滤波作用，特点是结构简单，但对元件的工作
稳定性要求高，较小的额定值改变会带来较大的滤波效益劣化。双调谐波滤波器
同时吸收两种频率的谐波，实际上相当于两个并联的单调谐波滤波器，但减少了
回路，基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压。这种滤波器结构复杂，
调谐困难，但在高压大容量装置中采用有一定的技术经济的优越性。

      高通滤波器对截至频率以下的频次呈现高阻抗，对截止频率以上的频次在
宽广的范围内呈现较低的阻抗值，可以抑制高次谐波对系统的影响，其特点是基
波损耗较小，阻抗频率特性较好，结构简单，对工频偏差及元件参数变化不敏感，
故工程上应用较多。C 型滤波器是一种新型滤波器，它的基波损耗很小，适合用
在较低的频次上，但它对工频偏差元件参数变化比较敏感。

      2 、专用滤波补偿装置2.1 中频炉滤波补偿装置中频感应炉的电源系统是
电力系统中数量最多的谐波源，常见的有中频炉和高频感应炉电源等。一般６脉
冲中频炉，主要产生6K±1 次谐波，即5 、7 、11、13次特征谐波等；对于12脉
冲换流中频炉，主要为12K ±1 次谐波，即11、13、23、25次特征谐波。一般情
况下，小型换流装置采用6 脉冲，大型换流装置采用12脉冲。

      中频炉滤波装置，一般设计两条以上回路，采用组合滤波方式进行谐波治
理：2.2 单晶炉专用滤波补偿装置为保证单晶炉正常运行和可靠供电，减少高次
谐波对电网的污染，改善设备的运行条件，需要采取滤除谐波电流的措施，同时
考虑补偿基波无功功率，根据单晶炉的运行特性，要求谐波治理及无功补偿装置
必须具有快速调节功能，我公司针对单晶炉专门设计研发了单晶炉滤波装置。

      根据我国有关电网电压质量的标准规定，以及目前国内外在谐波治理方面
的研究成果，本产品采用晶闸管动态投切滤波回路的方式（TSF ）对单晶炉设备
产生的特征谐波分别进行滤除，吸收谐波电流，改善电源的负荷特性，同时补偿
基波无功功率，提高电网的功率因数，给用户带来节能效益。

      2.3 电弧炉专用滤波补偿装置电弧炉是利用电弧能来冶炼金属的一种电炉。
工业上常用的电弧炉有两类：一类是直接加热式，电弧发生在专用电极棒和被熔
炼的炉料之间，炉料直接受到电弧热。主要用于炼钢，其次也用于熔炼铁、铜、
耐火材料、精炼钢液等；二类是间接加热式，电弧发生在两根专用电极棒之间，
炉料受到电弧的辐射热，用于熔炼铜、铜合金等。这种炉子噪声比较大，熔炼质
量较差，已逐渐被其它电炉所取代；电弧炉一般是三相式，通过专用电弧炉变压
器供电，变压器高压侧通常为6.3kV 、10kV、35kV，也有110kV ，低压侧通常为
一百多伏至一千多伏。目前常用的电弧炉规格主要在2T至100T炉之间。

      电弧炉工作工况基本分为两个阶段，熔化期和精炼期，熔化期由于存在大
量未熔物，炉子状态不稳定，这时电流波形不规律，谐波含量大，主要是2 、3 、
4 、5 、6 、7 等较为低次谐波，含有大量谐波，并伴随电压波动和闪变，导致
电网电压和电流的畸变。精炼期电弧炉稳定，谐波含量不大。

      我们主要针对电弧炉的特性，非标设计成套电弧炉专用滤波补偿设备，对
于不同工况、不同厂家电弧炉进行专门设计。低压一般采用TSF 滤波装置，针对
高压系统多采用SVC 滤波装置。

      2.4 电渣炉专用滤波补偿装置电渣炉是一种利用电流产生热能熔化插入渣
池的自耗电极，金属熔滴通过渣液清洗后，在水冷结晶器中结晶成电渣锭的一种
特殊冶炼设备。

      电渣炉在熔炼的控制过程中，采用以调整脉冲信号移相角来控制可控硅整
流器的输出电流，即调节磁调变压器的激磁电流达到控制变压器的二次输出电压。
以控制信号控制交流变频器的输出频率，调节慢速升降电机的转速达到控制自耗
电极插入熔池的深度，控制冶炼电流的目的。由于可控硅整流器和交流变频器在
运行中要产生谐波污染电网，所以供电部门常要求用户采取治理措施。

      在电渣炉接入的系统中，主要存在3 次、5 次、7 次、11次及以上的谐波，
因此我公司采用在滤波系统设置为单调谐加高通的组合滤波器，效果非常明显，
可以达到国标有关谐波治理的要求，如果采用APF 有源滤波器进行组合滤波，效
果将更加理想。

      2.5 矿热炉滤波补偿装置矿热炉主要指硅铁炉、黄磷炉、电石炉等主要以
电阻方式加热的冶炼炉，是一种耗电量非常大的工业电炉。

      根据矿热炉的结构特点以及工作特点，矿热炉系统电抗的70％是由短网系
统产生的，而短网是一个大电流工作的系统，最大电流可以达到上万安培，因此
短网的性能决定了矿热炉的性能，正是由于这个原因，因此矿热炉的自然功率因
数很难达到0.85以上，绝大多数的炉子的自然功率因数都在0.7~0.8 之间，较低
的功率因数不仅使变压器的效率下降，消耗大量的无用功，且被电力部门加收额
外大量电力罚款。同时由于电极的人工控制以及堆料的工艺，导致三相间的电力
不平衡加大，最高不平衡度可以达到20％以上，这导致冶炼效率的低下，电费增
高，因此提高短网的功率因数，降低电网不平衡就成了降低能耗，提高冶炼效率
的有效手段。如果采取适当的措施，提高短网功率因数，可以达到以下的效果：
（1 ）降低电耗5~20% （2 ）提高产量5%~10%以上。

      这能够给企业带来良好的经济效益，投入的改造费用可以在节约的电费中
短期内收回。

      为了解决矿热炉功率因数低下的问题，我国目前一般采用电容补偿的方式
来解决，通常是在高压端进行无功补偿。在高压端进行补偿2.6 变频器专用滤波
补偿装置变频技术在大量的感性负载节能方面有着无可替代的地位，节约的电能
有时能达到30% 以上，效益十分可观。随着变频器日益广泛的普及和应用，其占
电网总负荷的比例已经越来越大。其中大部分额定电压为三相380V的交直交型变
频器（以下简称变频器）。然而，随之带来的网侧谐波问题也越来越受到各变频
器用户和供电部门的关注。

      由于变频器的整流部分一般为三相全波不可控整流，直流回路采用大电容
作为滤波器。这样，虽然变频器的网侧输入电压波形基本上是正弦波，但输入电
流是脉冲式的充电电流，含有丰富的谐波，表现在网侧的有5 、7 、11、13、15、
17、19次谐波电流，一般最大以5 、7 次为主。

      感型负载在运行中要消耗大量的无功电流，但是谐波会使无功补偿装置不
能正常运行，并且导致一些现代化的精密控制机床无法运行，因此对使用变频器
的系统采取谐波治理措施是必须的。

      参考文献1 ：郑龙？河南逐鹿电力设备（集团）公司产品大黄页新乡今日
出版社2006年2 ：奥地利 George J.Wakileh 《PowerS ystems Harmonics Fundamentals
Analysis And Filter Design》北京机械工业出版社，2007年3 ：罗安？电网谐
波治理和无功补偿技术及装备北京中国电力出版社2007年4 ：姜齐荣，赵东元，
陈建业？有源电力滤波器- 结构、原理、控制北京科学出版社2008年5 ：逐鹿协
力？滤波补偿产品手册新乡今日出版社2008年