引言

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

1事故現(xiàn)象

某化工園區(qū)污水處理廠采用sCB11-2500kVA干式變壓器,變壓器低壓側(cè)配有兩臺電容補償柜,補償容量為1000kvar,柜內(nèi)為接觸器（負荷開關(guān)）投切,且均為自動投切。在污水處理廠調(diào)試運行過程中,運行值班人員在巡檢時發(fā)現(xiàn)低壓配電室的電容補償柜內(nèi)有一組電容器和電抗器燒毀,其他未受損且投入運行的電容器和電抗器經(jīng)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)溫度均在80～100℃,同時變壓器的噪聲和溫度明顯增加,現(xiàn)場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Cos61D溶氧儀、兩臺FMU90超聲波液位計、一臺FMx21靜壓液位計）顯示數(shù)值異常。顯示異常的儀表在返廠檢修后發(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

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)合該污水處理廠的實際運行情況,初步判斷是供配電系統(tǒng)有諧波干擾問題。針對該問題,污水處理水廠委托第三方電能檢測機構(gòu)對事故發(fā)生點進行了電能質(zhì)量測試。

主要監(jiān)測參量: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次以內(nèi)的諧波含量、電壓/電流的峰值因數(shù)、電壓閃變、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、電壓/電流的瞬態(tài)值及波形。

監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果的分析依據(jù)為相關(guān)的國家規(guī)范標準要求,具體如下:

（1）公共電網(wǎng)諧波電壓限值如表1所示。

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

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

式中,sk1為公共連接點的最小短路容量:sk2為基準短路容量:Inp為表2中的第n次諧波電流允許值:In為短路容量為sk1時的第n次諧波電流允許值。

（4）在公共連接點處第i個用戶的第n次諧波電流允許值（Ini）按以下公式進行計算:

式中,si為第i個用戶的用電協(xié)議容量:st為公共連接點的供電設(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)量測試選取的三處測試點A/B/C的諧波監(jiān)測結(jié)果均不合格,針對該結(jié)果進行以下具體分析:

（1）測試點A為3臺152kw的臭氧設(shè)備的電源進線端,2用1備。在污水處理廠運行期間,臭氧高頻逆變器處于輕載狀態(tài)時,電流存在斷續(xù)工作的情況,諧波電流波動范圍值為33～284A（圖1）,數(shù)值波動很大,且變化周期短。在有電流工作狀態(tài)時,可以檢測到諧波電流,反之,無諧波電流。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,產(chǎn)生的諧波電流就會非常大。

（2）測試點B為4臺75kw外排泵變頻柜的電源進線端。經(jīng)測試,該變頻柜滿載后產(chǎn)生的諧波含量在35%左右,且返廠維修的5塊在線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使用晶閘管等非線性電力電子元件實現(xiàn)的,這種方式可以很好地滿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)生的諧波會直接影響整個供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,尤其是在同一線路中裝有數(shù)量較多或功率較大的變頻器時,對電網(wǎng)的沖擊就會更大。

(3）測試點C為變壓器二次側(cè)總出線端。受測試點A和B的諧波疊加影響,事故發(fā)生時,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,進而使系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流值大大超過了測試點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,同時對電網(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

通過上述分析,可得出該污水處理廠供配電系統(tǒng)內(nèi)存在比較嚴重的諧波問題。針對該問題,提出就地諧波治理和集中諧波治理同時進行的方案。

4.1就地治理方案

針對該污水處理廠臭氧設(shè)備在運行時電流波動較為嚴重并伴有諧波振蕩的問題,要求臭氧設(shè)備廠家在保證臭氧系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下,根據(jù)系統(tǒng)工藝對臭氧需求量變化的要求,優(yōu)化運行模式,盡可能地減小臭氧設(shè)備電流波動對整個電網(wǎng)的影響。

污水處理廠使用的4臺75kw外排泵變頻器運行時電流較大,且滿載諧波含量嚴重超標(圖2）,建議在變頻器輸入側(cè)和輸出側(cè)加裝變頻器原廠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)電源波動對變頻器的沖擊。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圍其他電氣設(shè)備和儀表。

4.2集中治理方案

根據(jù)該污水處理廠電能質(zhì)量的實測結(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路上產(chǎn)生的電能損耗,節(jié)約運行成本,同時降低用電設(shè)備的發(fā)熱、減少絕緣老化、延長使用壽命,降低污水處理廠的維護成本。對于污水處理廠而言,有源濾波器的安裝成本較高,但考慮到處理廠的全生命周期,安裝有源濾波器還能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

5結(jié)語

本文通過某污水處理廠的電能質(zhì)量現(xiàn)場實測結(jié)果和諧波問題的深入分析,證明了諧波問題是該污水處理廠本次事故的主要原因,并針對該問題提出了相應(yīng)的就地治理和集中治理結(jié)合的方案。在該污水處理廠按提出的方案完成改造后,整個供配電系統(tǒng)運行正常,諧波參數(shù)達到國家規(guī)范要求,同時也提高了供配電設(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,本集團將其納入至內(nèi)部的電氣設(shè)計標準。此后,在集團現(xiàn)有污水處理廠提標改造和新建污水處理廠設(shè)計階段,以此為標準進行電氣設(shè)計,真正做到了從源頭杜絕電網(wǎng)的諧波污染,確保了污水處理廠的長期穩(wěn)定運行。