白永华
广东德群检测技术有限公司
摘要：近年来，随着国家对环境污染问题的日益重视，尤其是对关系到居民生活健康的水污染治理的重视，对企业污水排放标准的要求也在逐步提高。为此，污水处理厂也在不断改进污水处理工艺，引进新的污水处理设备，但同时大量非线性负载的使用，给整个污水处理厂的供配电系统带来了严重的谐波污染和安全隐患。
关键词：污水处理厂；谐波干扰；有源滤波
引言
近年来,市政工程中使用了大量的非线性设备,由于非线性设备的使用而产生的高次谐波所造成的影响越来越大。在污水处理厂中除了动力负荷外,为保证整个水处理流程正常可靠的运转,厂内还有很多控制、监控、通信、照明设备,其中大量非线性设备的运行必然产生谐波。如何降低谐波对配电系统的污染,减少谐波造成的危害,为保证污水处理厂的可靠运行,创造一个既安全又经济的低压配电系统环境是一个值得关注的问题。
1污水处理厂谐波源及产生机理
1.1谐波污染源
谐波源是指向电网注入谐波电流或产生谐波电压的电气设备。污水处理厂的谐波源就其非线性特性而言，主要有以下5大类:（1）软起动器;（2）开关电源、UPS、逆变元件、电池充电器;（3）变频控制的电机、起重机、电梯、泵;（4）电子数据图像设备;（5）整流器、荧光灯等。即使供给非线性设备理想的正弦波电压，电流也是非正弦，存在谐波电流;谐波电流含量基本决定于它本身的特性、工作状况及施加的电压，而与电力系统参数关系不大，因而常看作谐波恒流源。
1.2产生谐波污染的机理
(1)变频装置。厂内风机和水泵设置大量变频装置以实现节能目的和优化控制;变频装置一般采用三相桥式整流，是6脉动装置，主要产生5次、7次谐波电流，是污水处理厂最大的谐波源。(2)气体放电类电光源。厂内综合楼办公场所主要采用节能荧光灯，室外构筑物和厂区道路照明主要采用金属卤化物灯或高压钠灯。这些气体放电类电光源是谐波源之一，电弧放电时的负阻抗特性、电子镇流器的整流电路与高频逆变电路而产生谐波电流。(3)直流电源屏和不间断电源UPS。变配电所高压系统的控制、保护、信号及自动装置采用可靠和不间断的直流操作电源，中控室的计算机、网络系统和各现场PLC站设备配备UPS以获得稳定、不间断的电源;直流电流屏和不间断电源整流模块产生谐波电流。(4)软起动器。厂内较大功率电动机采用软起动方式，以降低电机起动电流，减少对电网的冲击，平滑地起动电动机。软起动器采用三相反并联的晶闸管实现调压，晶闸管是典型的非线性器件，软起动器在起动过程产生大量谐波。
3谐波电流对污水处理系统造成的影响、危害及目前所采取的措施
3.1压器
谐波电流使变压器铁损及铜损增加,同时使温度上升并产生噪声。变压器损耗的加大,会使绝缘介质老化加速寿命缩短。由于谐波电流的存在,变压器额定容量可能会加大,从而使变压器利用率降低,增加了建设成本。污水处理厂低压配电系统中,配电变压器均采用三角/星形(△/Y)接线方式,这给零序谐波(3次及3次的整数倍次谐波)在变压器一次侧绕组内提供了环流通路,从而抑制了3次谐波向电源端的传导。但变压器的这种接线方式并不能阻止其他频率谐波传到电源端,而且无论谐波电流是否被传到电源端,所有的谐波电流均会使变压器损耗加大。
3.2电动机
谐波电流会使电动机损耗增加、利用率降低。电动机损耗的增加使线圈温度上升并使电动机寿命降低。尤其是负序谐波对电动机产生的影响及危害会更大。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆下表为谐波相序的划分,它表示了电动机中相对于基波磁场的旋转方向,可见5次、11次等谐波便是负序谐波,它所产生反方向的旋转磁场会使电动机的转矩下降,它和正序分量一起会使电动机产生抖动,随之产生噪声。谐波电流使电动机功率下降,要保证电动机输出功率,就需增加输入电流,从而造成功率损失,温度上升。
3.3电容器
为提高功率因数及配电变压器的利用率,污水处理厂降压变配电室0.4kV母线上都设置电容器补偿柜。由于并联电容器容抗随电流频率的增加而减小,电容器组对谐波电流的低阻抗特性表现出了对谐波的吸收作用,所以电容器组具有一定的滤波作用。谐波电流的存在可能会使电容器过流发热,甚至击穿绝缘。尤其是当发生某一谐振时,谐波电流会很高,情况更为严重。目前电容器组前一般串联电抗器,但设计图纸中并没有选型,开关柜厂组屏时只安装电抗率很小的电抗器,根本起不到抑制谐波的作用,只能起到限制电容器合闸涌流作用。
3.4电线电缆
由于零序谐波电流在中性线上的叠加,所以为照明系统、自控系统、监控系统、通信系统等负荷供电的电缆宜选用中性线与相线等截面的电缆,这点已成为共识,规范中也有相应的条文。交流电流的集肤效应,尤其是高次谐波的集肤效应却尚未引起注意。交流电流趋向于在导体的外表面流动,称为集肤效应。特别是5次(300Hz)以上的谐波,集肤效应更加显著。集肤效应会导致电线电缆阻抗增加、温度升高、损耗增加,甚至绝缘损坏而引起事故发生。在为非线性设备配电选择电缆时,电缆的额定容量需适当降低,以便留出适当的容量裕量。
3.5其他
由于污水处理厂配电系统内谐波电流的存在,给诸多不良现象的出现提供了可能,如继电保护的误动作或拒动、弱电回路产生干扰、电子设备误触发等。
4减小谐波干扰的控制措施
（1）设置有源滤波器抑制谐波。有源电力滤波装置以并联的方式接入电网，通过CT实时监测非线性负载产生的谐波电流，转换成数字处理器可读的信号，以PWM调制方式，控制智能功率模块，输出与谐波分量大小相等、相位相反的电流，将电源侧电流补偿为正弦波，从而达到消除谐波的目的。根据APF安装位置，有集中补偿、就地补偿两种形式。（2）在谐波源上采取控制措施以降低谐波源的谐波含量，如增加换流装置的脉动数，采用D，yn11接线组别的三相配电变压器，改变谐波源的配置或工作方式，加装串联电抗器。(3)采用抗谐波干扰能力高的设备或装置，尤其仪表和自控系统等做好抗干扰的措施。(4)改善电力系统的三相不平衡度。(5)弱电信号、控制回路的控制电缆采用屏蔽电缆;弱电信号、控制回路和强电信号、控制回路不合用同一根控制电缆。(6)变频器配置进线电抗器与出线电抗器。(7)电缆敷设和接地系统等安装施工严格按国家规范执行。
结语
文章就污水处理厂谐波污染产生的原因、不良影响等进行了分析，针对谐波干扰提出了有效的治理措施，并在实际中得到了验证。在污水厂的设计、施工及管理过程中，将谐波干扰措施应用到位能确保自控系统及变频器安全可靠运行，降低电机噪音过热、提高系统功率因数等;有效提高电网的安全性和稳定性，减少甚至避免设备损坏、火灾等安全事故的发生，保证污水处理厂安全稳定运行。
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论文作者:白永华
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：谐波论文; 电流论文; 污水处理论文; 电动机论文; 变压器论文; 电容器论文; 系统论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;