水處理行業電能質量監測與治理系統解決方案

摘要：在水處理行業供配電系統中，涉及曝氣風機、提升泵、污泥脫水設備等感性負荷設備，導致異步電動機產生較多無功功率和大量的諧波，使部分設備表現出輕載或不滿載運行狀況降低功率因數，以及諧波對配電系統、負載產生較大的危害。就此，水處理行業需提高對電能質量的重視，通過有效的無功補償、諧波治理措施，調節功率因數和濾除諧波，從而節能降耗。

關鍵詞：水處理行業供配電系統；無功功率；諧波；功率因數；電能質量

1引言

在配電系統中，如果容量過大，技術人員會配置無功補償裝置，用于提升設備的功率因數，減少配電網的損耗。在某污水處理廠中，檢測人員對變壓器進行短時間檢測，雖然檢測結果表明，變壓器在負載低于25%的工況下，功率因數大于0.9，總諧波畸變率低于5%，滿足標準。但結合現場勘查結果與檢測數據，分析該污水處理廠 在無功補償方面仍存在不足。工藝設備中負荷重要的設備(重要工段的水泵、鼓風機等)和設備組(污泥脫水及干化系統 、加藥系統等)均由變配電室0.4kV系統放射式供電。

2水處理行業諧波源分析

水處理行業污水處理廠的主要大功率設備包括曝氣風機、提升泵、污泥脫水設備以及干化成套設備等，還有大型空調系統、變頻器、通風設備。

這些設備的變頻機構、控制部件都是典型的非線性負載，會產生20%-50%的諧波流入配電系統，污染電網，不僅會對無功功率補償設備造成潛在影響還會影響各類電氣設備正常運行，降低系統效率，增加電力成本。

圖1 污水處理流程圖

諧波的影響

3.1諧波對電網的影響

導致電網功率消耗增大、設備試用時間降低、接地保護功能和遙控功能出現異常、線路與設備熱量增大等，特別是三次諧波導致非常大的中性線電流，造成配電變壓器零線電流大于相線電流數值，致使設備不能平穩運行。因此，諧波還能引發造成諧振在電網中發生，則會將運行正常的供電停止、情況嚴重、電網解裂等情況發生。諧振造成變電站局部并聯與串聯，致使電壓互感器設施損壞；造成變電站系統當中的設備與元件生成附加的諧波損耗，導致電力變壓器、電力電纜、電動機等設備溫度上升，電容器損壞，進而促進了絕緣材料發生質變的速率

3.2對變壓器的影響

諧波會增加變壓器的銅耗、鐵耗和雜散磁通損耗（線圈渦流損耗），可能在變壓器繞阻和線電容之間產生諧振，增大變壓器發熱，甚至引起局部嚴重過熱，同時使變壓器噪聲增大，減少變壓器的實際使用容量，降低變壓器的使用壽命。

3.3對電容柜的影響

在諧波的作用下電容器將過熱，導致絕緣部分老化，縮短使用壽命。當諧波次數較高時，電容器呈現低阻抗特性，流過電容器的電流將變大，使得電容器處在過載的工作情況，縮短使用壽命。諧波往往還會使電容器介質損耗增加，其直接后果是額外的發熱和壽命縮短。電容器和電源電感結合也會構成并聯或串聯諧振電路，在諧振情況下諧波電流會被放大數倍甚至數十倍，*終導致電壓會大大高于電容器的額定電壓值，使電容器損壞炸裂或保護熔斷器熔絲熔斷。

4水處理行業電能質量檢測和治理系統解決方案

4.1行業特征

• 對電能質量的要求較高；

• 負載中包含不同種類的諧波源，配電諧波的含量較高；

• 諧波主要以2N±1次諧波為主；

4.2解決方案

水處理行業主要以污水處理廠為主，隨著城市的發展，各個城市對水處理也逐漸重視起來，對于老廠會進行設備更新，發展較快的會擴廠增加設備。水處理廠配備大量抽送水泵，過濾設備，自動處理設備，這些設備共同的特點是：設備運行會產生大量的諧波；對電源質量要求很高。在設備運行過程中如果存在大量的諧波，會使電壓、電流波形發生畸變，影響系統供電質量。同時還對其它供電及用電設備造成危害，縮短設備使用壽命，干擾重要設備的正常工作。水處理設備用電系統的諧波治理已成為行業發展所需要考慮的問題。

安科瑞電氣提出的電能質量監測與治理系統解決方案可滿足電力監控管理、運維與電能質量治理等方面的需求，致力于為水處理行業用戶提供一站式的整體解決方案，從產品、系統、服務等不同方面來滿足用戶的需要。為用戶創造價值。

4.3方案特點

• 電能質量監測與治理系統即可通過本地設備為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能，亦可通過接入AcrelEMS-SEMI電站廠房能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務；

• 符合GB/T17626.30-2012中A 級準確度測量方法，適用于要求準確測量電能質量指標參數的場合；

• 專業化的電能質量監測：電能質量實時在線監測，測量精度高、測得準，符合 IEC61000-4-30標準；

• 電能質量監測與治理裝置信息互聯，通過統一平臺管理，方便用戶同時監測電網電能質量以及治理數據；

• 采用三電平電力電子驅動器件，通過更多的電平輸出更高品質的治理波形。

5安科瑞電能質量監測與治理產品選型

5.1集中治理

針對水處理行業配電系統中涉及到的曝氣風機、提升泵、污泥脫水設備以及干化成套設備泵等電器設備及數量較多的變頻器設備，為減少諧波對電網側的危害和影響，同時確保無功功率因數達到國標要求值，避免罰款，可采用配電房集中治理的方式，同時也可對整個低壓供配電系統進行電能質量在線監測，其中包含諧波分析、波形采樣、電壓暫降、暫升、中斷、閃變監測等，其集中治理的產品選型見表1。

表1電能質量監測及集中治理產品選型表

5.2就地治理

曝氣風機、水泵等末端設備，運行過程中不可避免的對整個供配電系統中產生諧波污染，電流畸變率一般會達到30%~50%。同時辦公樓照明普遍采用LED熒光燈、金鹵燈、調光器等，此類照明裝置主要負荷類型為開關電源型，諧波電流以3次諧波電流為主，3次諧波電流作為零序電流，三相矢量角度一致，因此向N線進行疊加，導致N線電流過大。針對以上負載情況，建議在各重要設備的配電箱增加電能質量補償設備進行就地治理，達到終端治理諧波的目的，避免諧波影響到整個配電系統和其他用電設備。

表2就地治理的產品選型見表2

5.3電能質量監測與治理系統

（1）平臺拓撲

電能質量監測與治理系統平臺主要由電能質量治理設備、物理網關、服務器及服務終端四部分組成，其中電能質量治理設備作為基礎實現對數據采集與電能質量補償等，物理網關實現設備與服務器間的數據傳輸以及對設備進行策略功能分配，數據經由服務器*終以服務終端為媒介為用戶提供可視化展示。

（2）平臺展示

電能質量監測與治理系統除作為本地終端為用戶提供電能質量監測、治理與設備運維等功能外，亦可通過接入AcrelEMS企業微電網能效管理平臺，為用戶提供遠程在線服務。

功能展示-可視化管理

• 項目站點信息

• 廠區概況

• 配電房設備補償運行狀態

• 語音警報

• 故障信息彈窗

效果對比-治理分析

• 負載測2-31次諧波柱狀圖

• 電網測2-31次諧波柱狀圖

• 負載測各相電壓及電流畸變率

• 電網測各相電壓及電流畸變率

設備展示-運行狀態

• 投切狀態

• 電容數據實時監測

狀態展示-設備運行

• 負載測2-31次諧波柱狀圖

• 電網測2-31次諧波柱狀圖

• 負載測各相電壓及電流畸變率

• 電網測各相電壓及電流畸變率

6水處理行業電能質量案例及解決方案

6.1案例分析

湖南某污水處理廠一臺2000kva的變壓器，變壓器低壓側兩臺電容補償柜，補償容量為1000 kvar，柜內為接觸器投切，且均為自動投切。顯示異常的儀表在返廠檢修后發現儀表內主板均有不同程度的損壞。根據上述事故發生后用電設備的損毀情況描述，結合該污水處理廠的實際運行情況，初步判斷是供配電系統有諧波擾問題。針對該問題，污水處理水廠委托第三方電能檢測機構對事故發生點進行了電能質量測試。

主要監測參量：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次以內的諧波含量、電壓/電流的峰值因數、電壓閃變、有功功率、無功功率、功率因數、電壓/電流的瞬態值及波形。

電能質量測試選取的三處測試點A/B/C的諧波監測結果均不合格，針對該結果進行以下具體分析：

1. 測試點A為3臺152 kW的臭氧設備的電源進線端，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時，電流存在斷續工作的情況，諧波電流波動范圍值為33?? 284 A（圖1），數值波動很大，且變化周期短。在有電流工作狀態時，可以檢測到諧波電流，反之，無諧波電流。當臭氧設備處于電流斷流和有電流交替的工作狀態時，產生的諧波電流就會非常大。

（2）測試點B為4臺75 kW外排泵變頻柜的電源進線端。經測試，該變頻柜滿載后產生的諧波含量在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，但在變頻器輸入側和輸出側產生的諧波會直接影響整個供配電系統的穩定運行，尤其是在同一線路中裝有數量較多或功率較大的變頻器時，對電網的沖擊就會更大。

（3）測試點C為變壓器二次側總出線端。受測試點A和B的諧波疊加影響，事故發生時，電網中很有可能產生了局部的并聯諧振和串聯諧振，進而使系統內的諧波電流值大大超過了測試點A處的電容柜內電容器和電抗器的電流限值，導致部分投用的電容器和電抗器迅速燒毀，同時對電網內的其他用電設備也造成了不同程度的影響。

圖2 C點波形圖及各次諧波電流

6.2治理方案

原先電容柜替換為SVG靜止無功發生器，防止無功補償柜受諧波影響損壞電容，也防止發生諧振，從而導致無功補償柜燒毀。容量按原先電容柜容量進行替換，功率因數可達1，減少客戶電費支出。

根據該污水處理廠電能質量的實測結果，變壓器二次側含有5次、7次、11次、13次諧波，總諧波電流達到200A，諧波畸變率達到27.6%，所以建議安裝有源濾波器。*終在我公司的建議下，在變壓器的出線側，安裝了1臺300A有源濾波器。

7結論

水處理行業中的設備普遍采用變頻器、電機、水泵，使非線性設備負荷的種類和數量迅速增加，諧波污染日趨嚴重，給配電系統和現場設備帶來巨大危害。但水處理行業供配電系統諧波問題一直沒得到足夠重視，諧波造成的電能消耗增加、設備故障、使用壽命縮短等直接和間接經濟損失相當巨大。通過對水處理行業供配電系統電能質量進行研究，結合系統平臺提出合理的整體解決方案，對改善供電質量，提高電網的安全和經濟運行，保障設備的性能以及降低能耗均有重要意義。