有源滤波装置在水处理行业配电系统中的应用

摘要：在水处理行业供配电系统中，涉及曝气风机、提升泵、污泥脱水设备等负荷设备，导致异步电动机产生较多无功功率和大量的谐波，使系统功率因数下降，以及谐波对配电系统、负载产生较大的危害。就此，水处理行业需提高对电能质量的重视，通过有源滤波装置治理，滤除谐波，从而节能降耗。

关键词：水处理行业供配电系统；谐波；电能质量

1、水处理行业电能质量主要特征：

1.1水处理行业发展平稳，厂房建设逐年稳步增加；

1.2电机、水泵等负载长期工作，功率因数较高，无功补偿较为稳定；

1.3主要谐波源为变频器，且谐波含量较大，需要配置有源滤波设备进行谐波治理。

2、水处理行业主要设备

水处理行业污水处理厂的主要大功率设备包括曝气风机、提升泵、污泥脱水设备以及干化成套设备等，还有大型空调系统、变频器、通风设备。这些设备的变频机构、控制部件都是典型的非线性负载，产生的谐波流入配电系统，污染电网，不仅会对无功功率补偿设备造成潜在影响还会影响各类电气设备正常运行，降低系统效率，增加电力成本。

2.1曝气风机

污水处理曝气风机的主要作用是为水池提供氧气，主要用于的地方是沉砂池，曝气风机连接到管道，然后管道连接至曝气池底部的曝气盘，曝气风机将气体鼓入曝气池中，为微生物的活动，提供充足的氧气，促进化学反应的进行。曝气风机开启时，功率因数为0.8，总谐波畸变率将近30%。

2.2提升泵

提升泵是一种集泵、电机、壳体、控制系统于一体的泵类产品，主要作用是污水提升到某一高度后使其按重力流方法运行，可以控制水量，从而控制反应池内污水浓度，提升泵功率因数0.75，谐波畸变率将近30％~40％。

2.3污泥脱水

脱水的方法，主要有自然干化法、机械脱水法和造粒法。自然干化法和机械脱水法适用于污水污泥。造粒法适用于混凝沉淀的污泥。污泥脱水设备主要产生5、7次谐波，污泥脱水设备功率因数0.8，谐波畸变率将近20％。

2.4变频器

变频器的主要作用是改变交流电机供电的频率和幅值，因而改变其运动磁场的周期，达到平滑控制电动机转速的目的，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，至大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命。大容量变频器的使用需搭配进线电抗器使用，有效防止功率元件的扰动和冲击，防止与有源滤波器冲突从而放大谐波，变频器功率因数0.9，总谐波畸变率将近30％~50％。

3、水处理行业电能质量案例及解决方案

3.1事故现象

湖南某污水处理厂一台2000kVA的变压器，变压器低压侧两台电容补偿柜，补偿容量为1000kVar，柜内为接触器投切，且均为自动投切。在污水处理厂调试运行过程中，运行值班人员在巡检时发现低压配电室的电容补偿柜内有一组电容器和电抗器烧毁，其他未受损且投入运行的电容器和电抗器经现场检测发现温度均在80～100℃，同时变压器的噪声和温度明显增加。

3.2电容柜损坏原因分析

1. 电容电抗等元器件本身的品质问题。电容内部采用较差的黑胶填充，过热易膨胀鼓包；外部材质采用铁制外壳，在沿海城市或盐雾浓雾高的场所；电抗器采用铝芯，接口氧化高温易爆；

2. 现场施工安装时，电气连接件的紧固问题。接口处若有松动，连接点局部发热；

3. 电容电抗的参数匹配问题。串抗率不匹配，如选用480V配套7%电抗率的电容器和525V的14%电抗率电抗器，那么电容电抗不匹配会导致发生谐振；

4. 环境因数。随着现场环境温度、湿度的变化，电容电抗参数变化，导致串抗率偏移的问题，电容电抗之间会产生串联谐振，电流变大、发热严重；

5. 谐波电压触发的电容柜和负载之间的并联谐振问题，导致母线电压抬升，出现电容损坏或者负载设备过压保护或损坏的现象。

3.3解决方案

测试点为变压器总出线端，根据该污水处理厂电能质量的实测结果，变压器总出线端含有5次、7次、11次、13次谐波，总谐波电流达到200A，谐波畸变率达到27.6%。现场检查电容电抗等器件，状况良好，电抗率匹配，原因分析是由于谐波电流过大引起的线路及设备起火。最终在我公司的建议下，在变压器的出线侧，安装了1台300A有源滤波器，

目前现场谐波畸变率稳定在10%以下，电容柜长期稳定运行。

APF有源滤波器采用DSP+FPGA全数字控制方式，并联在系统中，兼补谐波和无功；可对2～51次谐波进行全补偿或特定次谐波进行补偿；具备完善的桥臂过流、直流过压保护、装置过温保护功能；具备自动检测运行、测量监视和定值设定功能；具备智能散热和无极调速的功能；具备动态扩容功能，支持插拔，方便更换。

5、结论

水处理行业中的设备普遍采用变频器、电机、水泵，使非线性设备负荷的种类和数量迅速增加，谐波污染日趋严重，给配电系统和现场设备带来巨大危害。但水处理行业供配电系统谐波问题一直没得到足够重视，谐波造成的电能消耗增加、设备故障、使用寿命缩短等直接和间接经济损失相当巨大。有源滤波装置对改善供电质量，提高电网的安全和经济运行，保障设备的性能以及降低能耗均有重要意义。