当配电系统中存在无功损耗和谐波超标等电能质量问题时,选择什么样的治理设备往往困扰着大部分用户。接下来,我们将从原理、安全运行、治理目标、实施难易程度等方面分类讨论。
从原理上,滤波器的分类大致如下:
无源滤波器:
非调谐式滤波器(detuned filter) 适用于 3次及以上谐波 / 电抗系数 12.5% 或 14%;适用于5、7次及以上谐波 / 电抗系数 5.5% 或 7%。(参考GB50227-95,并联电容器装置设计规范)
调谐式滤波器(tuned filter) 要滤除 5、7、11、13 次谐波,采用分别为5次滤波器;7次滤波器;11、13次高通滤波器。
有源滤波及无功发生器:
单纯有源滤波器(APF):可以滤除宽频谱的谐波(如2 到40次谐波);单纯双向无功发生器(SVG),可以发出感性或容性无功电流,有源补偿无功电流;电网恢复系统(MARS)同时具有有源滤波(APF)和无功发生(SVG)功能,并且还具有恢复电压波动、闪变、三相不平衡功能,而且解决了PWM调制波干扰电网的问题,可以做到单台大容量。
在IEC标准中,无源滤波器的谐振点低于主谐波频率90%时,为非调谐式滤波器,也叫做安全补偿系统,例如背景谐波为5次时,谐波的频率为250Hz,非调谐滤波器的谐振点往往设立在189Hz(电抗率为7%,五次谐波电流的滤波效果约为15%,具体视系统阻抗)、204Hz(电抗率为6%)、214Hz(电抗率为5.5%,五次谐波电流的滤波效果约为40-50%,具体视系统阻抗);无源滤波器的谐振点低于主谐波频率100%高于90%时,为调谐式滤波器,例如背景谐波为5次时,谐波的频率为250Hz,非调谐滤波器的谐振点往往设立在240Hz(电抗率为4.5%,五次谐波电流的滤波效果具体视系统阻抗)。
从安全运行的角度:
非调谐式滤波器的谐振点由于离主谐波频率较远,有一定的阻抗,并且阻抗呈感性,可有效解决电力系统由于谐波的存在,在投切电容器时发生谐振的可能性,并且起到降低谐波电压,将一部分谐波电流分流的作用;由于进入LC回路的谐波电流较少,元器件发热和受到大电流冲击引起的事故概率就少很多,并且可以根据系统的无功情况进行自动投切,如果工厂的无功变化不是很频繁,可以选择比较经济的传统的电磁式接触器来对LC回路进行投切控制。
调谐式滤波器的谐振点离想要滤除的目标谐波频率很近,对于目标谐波电流的阻抗很小,可以将系统内的谐波电压降的更低。但是由于阻抗很小,所以LC回路中流入谐波电流非常大,元器件容易发热和受到大电流冲击,使用不当会经常发生烧毁事故,所以在设计和制造及使用过程中要详细计算,测量,不光要考虑系统并联状态下的谐波源、谐波阻抗,还要考虑来自10kV侧或上一级供电系统中的背景谐波电压对调谐式滤波器的影响;电抗器在大电流下或过载情况下的感值是否保持恒定不发生变化(电流越大,电抗器的铁心会发生磁饱和现象,感值会下降得很快)是很重要的因素,电容器自身生产时容值就有公差,另外随着时间的推移以及发热,容值会越来越低,这就造成了LC回路的谐振点会发生偏移,比当初进行设计时变大,例如从240Hz偏移到248Hz,从而发生谐振,烧毁配电设备。还有一点,从安全的角度,调谐式滤波器通常被设计成单步大容量的逐次投切方式(先投5次滤波器,再投7次滤波器;断开时要先切断7次,再切断5次滤波器;如果在运行时5次滤波器发生故障,必须要马上退出7次滤波器,否则7次滤波器会放大系统内5次谐波并带来灾难性后果),来应对谐波电流过大的问题,但是这样就可能会带来过补偿的问题。
从治理目标的角度:
为了提高功率因数,提高变压器的利用率,提高系统的用电效率,降低无功电流带来的损耗是电力用户的最基本目的。在谐波的环境下,当用户使用LC回路的目的是既可以对基波频率(50Hz)下的系统补偿容性的无功电流,又可以避免用纯电容补偿时容易发生的谐振现象,滤除部分谐波时,建议采用安全补偿的方式,即非调谐式滤波补偿设备,背景谐波为5次以上时,电抗率选择7%或5.5%。是90%的用户选择的方式。
当用户的用电负荷比较集中,为单一大容量非线性负载,负荷变化率不高但要求变压器使用效率高逾80%以上时,此时系统谐波含量大,谐波电压超出国家GB/T14549-93的限值,特征谐波电流发生值较恒定,变压器负荷率高,建议采用调谐式滤波器,避免电力局检查并根据当地有关谐波超限的规定罚款。另外降低变压器发热,滤波效果好。例如造纸、中频炉、橡胶行业的密炼机等。
从实施的难易程度来看:
调谐式滤波器由于设计复杂,可控硅控制系统复杂且易损,二次控制回路投切与保护设定复杂,通常由专业厂家进行生产,调试运行均需要有经验的工程师实施,另外日后在系统中安装其他非线性负载时要经过详细的谐波电流计算及系统阻抗分析。
非调谐式滤波器安装简单,有经过培训的电工即可完成。