水处理行业电能质量监测与治理系统解决方案
摘要：在水处理行业供配电系统中，涉及曝气风机、提升泵、污泥脱水设备等感性负荷设备，导致异步电动机产生较多无功功率和大量的谐波，使部分设备表现出轻载或不满载运行状况降低功率因数，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，通过有效的无功补偿、谐波治理措施，调节功率因数和滤除谐波，从而节能降耗。
关键词：水处理行业供配电系统；无功功率；谐波；功率因数；电能质量
1 引言
在配电系统中，如果容量过大，技术人员会配置无功补偿装置，用于提升设备的功率因数，减少配电网的损耗。在某污水处理厂中，检测人员对变压器进行短时间检测，虽然检测结果表明，变压器在负载低于25%的工况下，功率因数大于0.9，总谐波畸变率低于5%，满足标准。但结合现场勘查结果与检测数据，分析该污水处理厂 在无功补偿方面仍存在不足。工艺设备中负荷重要的设备(重要工段的水泵、鼓风机等)和设备组(污泥脱水及干化系统 、加药系统等)均由变配电室0.4kV系统放射式供电。
2 水处理行业谐波源分析
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，会产生20%-50%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。
图1 污水处理流程图
3 谐波的影响
3.1谐波对电网的影响
导致电网功率消耗增大、设备试用时间降低、接地保护功能和遥控功能出现异常、线路与设备热量增大等，特别是三次谐波导致非常大的中性线电流，造成配电变压器零线电流大于相线电流数值，致使设备不能平稳运行。因此，谐波还能引发造成谐振在电网中发生，则会将运行正常的供电停止、情况严重、电网解裂等情况发生。谐振造成变电站局部并联与串联，致使电压互感器设施损坏；造成变电站系统当中的设备与元件生成附加的谐波损耗，导致电力变压器、电力电缆、电动机等设备温度上升，电容器损坏，进而促进了绝缘材料发生质变的速率
3.2对变压器的影响
谐波会增加变压器的铜耗、铁耗和杂散磁通损耗（线圈涡流损耗），可能在变压器绕阻和线电容之间产生谐振，增大变压器发热，甚至引起局部严重过热，同时使变压器噪声增大，减少变压器的实际使用容量，降低变压器的使用寿命。
3.3对电容柜的影响
在谐波的作用下电容器将过热，导致绝缘部分老化，缩短使用寿命。当谐波次数较高时，电容器呈现低阻抗特性，流过电容器的电流将变大，使得电容器处在过载的工作情况，缩短使用寿命。谐波往往还会使电容器介质损耗增加，其直接后果是额外的发热和寿命缩短。电容器和电源电感结合也会构成并联或串联谐振电路，在谐振情况下谐波电流会被放大数倍甚至数十倍，*终导致电压会大大高于电容器的额定电压值，使电容器损坏炸裂或保护熔断器熔丝熔断。
4 水处理行业电能质量检测和治理系统解决方案
4.1行业特征
- 对电能质量的要求较高；
- 负载中包含不同种类的谐波源，配电谐波的含量较高；
- 谐波主要以2N±1次谐波为主；
4.2解决方案
水处理行业主要以污水处理厂为主，随着城市的发展，各个城市对水处理也逐渐重视起来，对于老厂会进行设备更新，发展较快的会扩厂增加设备。水处理厂配备大量抽送水泵，过滤设备，自动处理设备，这些设备共同的特点是：设备运行会产生大量的谐波；对电源质量要求很高。在设备运行过程中如果存在大量的谐波，会使电压、电流波形发生畸变，影响系统供电质量。同时还对其它供电及用电设备造成危害，缩短设备使用寿命，干扰重要设备的正常工作。水处理设备用电系统的谐波治理已成为行业发展所需要考虑的问题。
安科瑞电气提出的电能质量监测与治理系统解决方案可满足电力监控管理、运维与电能质量治理等方面的需求，致力于为水处理行业用户提供一站式的整体解决方案，从产品、系统、服务等不同方面来满足用户的需要。为用户创造价值。
4.3方案特点
- 电能质量监测与治理系统即可通过本地设备为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能，亦可通过接入AcrelEMS-SEMI电站厂房能效管理平台，为用户提供远程在线服务；
- 符合GB/T17626.30-2012中A 级准确度测量方法，适用于要求准确测量电能质量指标参数的场合；
- 专业化的电能质量监测：电能质量实时在线监测，测量精度高、测得准，符合 IEC61000-4-30标准；
- 电能质量监测与治理装置信息互联，通过统一平台管理，方便用户同时监测电网电能质量以及治理数据；
- 采用三电平电力电子驱动器件，通过更多的电平输出更高品质的治理波形。
5 安科瑞电能质量监测与治理产品选型
5.1集中治理
针对水处理行业配电系统中涉及到的曝气风机、提升泵、污泥脱水设备以及干化成套设备泵等电器设备及数量较多的变频器设备，为减少谐波对电网侧的危害和影响，同时确保无功功率因数达到国标要求值，避免罚款，可采用配电房集中治理的方式，同时也可对整个低压供配电系统进行电能质量在线监测，其中包含谐波分析、波形采样、电压暂降、暂升、中断、闪变监测等，其集中治理的产品选型见表1。
表1电能质量监测及集中治理产品选型表
| 设备名称 |
产品型号 |
产品图片 |
功能特性 |
| 电能质量在线监测装置 |
APView500 |
|
电能质量在线监测装置，集谐波分析、波形采样、电压暂降/暂升/中断、闪变监测、电压不平衡度监测、事件记录、测量控制等功能为一体，能够满足110kV及以下供电系统电能质量监测的要求 |
| APM系列 多功能网络仪表 |
APM510/520 |
|
按 IEC 国际标准设计，具有全电量测量、电能统计、电能质量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的 DI/DO 模块、AO 模块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控。 |
| 有源谐波治理系统 |
AnSin-G Ⅰ型 |
|
采用DSP+FPGA全数字控制方式，并联在系统中，兼补谐波和无功； 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； 具备超前和滞后的功率因数校正功能； 具备动态过温降载功能； 有源谐波治理系统除作为本地终端为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS企业微电网能效管理平台，为用户提供远程在线服务。 |
| 有源无功补偿系统 |
AnCos-G Ⅰ型 |
|
具备无功功率线性补偿、三相电流平衡治理和稳定电压的功能，同时可滤除5、7、11、13次以内的谐波； 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； 具备过压切除、过压闭锁、欠压切除、超温告警等保护功能； 有源无功补偿系统配备有数据处理与分析平台，通过对采集到的用户现场数据与补偿设备补偿算法相结合，为用户提供定制化的电能质量治理服务。 |
| 混合动态谐波无功补偿系统 |
AnCos/-G Ⅰ型 |
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核心元器件IGBT选用英飞凌等进口知名品牌，响应时间快，精度高、运行稳定； 采用全数字、模块化控制方式，采用DSP＋FPGA高速检测和运算的数字控制系统监控及显示系统； 同时具备谐波治理、无功功率线性补偿与三相电流平衡治理和稳定电压的功能； 谐波补偿次数：2-51次，可对2次～31次谐波电流进行全补偿，或仅对谐波进行补偿； 具备远程通讯接口功能，并可通过PC机进行实时监控； 分层式系统设计，三层系统各自独立且相互耦合。基于谷歌Flutter框架构建的遥信、遥控软件平台，具备远程服务与数据处理功能，并支持IOS、安卓、PC多平台交互。 |
5.2就地治理
曝气风机、水泵等末端设备，运行过程中不可避免的对整个供配电系统中产生谐波污染，电流畸变率一般会达到30%~50%。同时办公楼照明普遍采用LED荧光灯、金卤灯、调光器等，此类照明装置主要负荷类型为开关电源型，谐波电流以3次谐波电流为主，3次谐波电流作为零序电流，三相矢量角度一致，因此向N线进行叠加，导致N线电流过大。针对以上负载情况，建议在各重要设备的配电箱增加电能质量补偿设备进行就地治理，达到终端治理谐波的目的，避免谐波影响到整个配电系统和其他用电设备。
表2就地治理的产品选型见表2
| 设备名称 |
产品型号 |
产品图片 |
功能特性 |
| APM系列 多功能网络仪表 |
APM510/520 |
|
按 IEC 国际标准设计，具有全电量测量、电能统计、电能质量分析（包括谐波、间谐波、闪变）、故障录波功能(包括电压暂升暂降中断、冲击电流等记录)、事件记录功能及网络通讯等功能，主要用于电网供电质量的综合监控。该系列仪表配有功能丰富的 DI/DO 模块、AO 模块、无线通讯模块、漏电测温模块，可以灵活实现电气回路全电量测量及开关状态监控。 |
| 有源无功补偿系统装置 |
AnCos Ⅰ型 |
|
具备无功功率线性补偿、三相电流平衡治理和稳定电压的功能，同时可滤除5、7、11、13次以内的谐波； 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； 具备过压切除、过压闭锁、欠压切除、超温告警等保护功能； |
| 中线安防保护器 |
ANSNP70-0.4/B |
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DSP+FPGA控制方式，响应时间短，全数字控制算法； 末端治理，可滤除中性线中由3N次谐波或三相不平衡造成的过大电流； 具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能； 采用4.3英寸屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制； 多机并联，达到较高的电流输出等级； 壁挂式模块设计，体积小，安装便利，方便扩容。 |
| 谐波保护器 |
ANHPD |
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吸收3kHz~10MHz频率各种能量的谐波干扰；消除高次谐波、高频噪声、脉冲尖峰、浪涌等干扰；矫正电压、电流波形，克服由于高频谐波污染引起的干扰，保障设备的安全运行。 |
| 有源谐波治理系统装置 |
AnSin Ⅰ型 |
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壁挂式，可进行末端谐波治理； 功能设置：只补偿谐波、只补偿无功、既补偿谐波又补偿无功；保护类型：直流过压保护、IGBT过流保护、装置过温保护、输出限幅保护等；采用DSP+FPGA全数字控制方式，并联在系统中，兼补谐波和无功；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；基于谷歌Flutter框架构建的遥信、遥控软件平台，具备远程服务与数据处理功能，支持IOS、安卓、PC多平台交互； 具备超前和滞后的功率因数校正功能，可将三相不平衡负荷调整至平衡； |
5.3电能质量监测与治理系统
（1）平台拓扑
电能质量监测与治理系统平台主要由电能质量治理设备、物理网关、服务器及服务终端四部分组成，其中电能质量治理设备作为基础实现对数据采集与电能质量补偿等，物理网关实现设备与服务器间的数据传输以及对设备进行策略功能分配，数据经由服务器*终以服务终端为媒介为用户提供可视化展示。
（2）平台展示
电能质量监测与治理系统除作为本地终端为用户提供电能质量监测、治理与设备运维等功能外，亦可通过接入AcrelEMS企业微电网能效管理平台，为用户提供远程在线服务。
功能展示-可视化管理
- 项目站点信息
- 厂区概况
- 配电房设备补偿运行状态
- 语音警报
- 故障信息弹窗
效果对比-治理分析
- 负载测2-31次谐波柱状图
- 电网测2-31次谐波柱状图
- 负载测各相电压及电流畸变率
- 电网测各相电压及电流畸变率
设备展示-运行状态
- 投切状态
- 电容数据实时监测
状态展示-设备运行
- 负载测2-31次谐波柱状图
- 电网测2-31次谐波柱状图
- 负载测各相电压及电流畸变率
- 电网测各相电压及电流畸变率
6 水处理行业电能质量案例及解决方案
6.1案例分析
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1000 kvar，柜内为接触器投切，且均为自动投切。显示异常的仪表在返厂检修后发现仪表内主板均有不同程度的损坏。根据上述事故发生后用电设备的损毁情况描述，结合该污水处理厂的实际运行情况，初步判断是供配电系统有谐波扰问题。针对该问题，污水处理水厂委托第三方电能检测机构对事故发生点进行了电能质量测试。
主要监测参量：交流电压/电流有效值、电压/电流相位不平衡、电压/电流频谱图、总谐波畸变率、50次以内的谐波含量、电压/电流的峰值因数、电压闪变、有功功率、无功功率、功率因数、电压/电流的瞬态值及波形。
电能质量测试选取的三处测试点A/B/C的谐波监测结果均不合格，针对该结果进行以下具体分析：
- 测试点A为3台152 kW的臭氧设备的电源进线端，2用1备。在污水处理厂运行期间，臭氧高频逆变器处于轻载状态时，电流存在断续工作的情况，谐波电流波动范围值为33 284 A（图1），数值波动很大，且变化周期短。在有电流工作状态时，可以检测到谐波电流，反之，无谐波电流。当臭氧设备处于电流断流和有电流交替的工作状态时，产生的谐波电流就会非常大。
（2）测试点B为4台75 kW外排泵变频柜的电源进线端。经测试，该变频柜满载后产生的谐波含量在35%左右，且返厂维修的5块在线仪表的安装位置都集中在外排泵的附近区域。变频器的整流是通过使用晶闸管等非线性电力电子元件实现的，这种方式可以很好地满足处理水量的变化和处理工艺的变化，提高污水处理的效率，但在变频器输入侧和输出侧产生的谐波会直接影响整个供配电系统的稳定运行，尤其是在同一线路中装有数量较多或功率较大的变频器时，对电网的冲击就会更大。
（3）测试点C为变压器二次侧总出线端。受测试点A和B的谐波叠加影响，事故发生时，电网中很有可能产生了局部的并联谐振和串联谐振，进而使系统内的谐波电流值大大超过了测试点A处的电容柜内电容器和电抗器的电流限值，导致部分投用的电容器和电抗器迅速烧毁，同时对电网内的其他用电设备也造成了不同程度的影响。
图2 C点波形图及各次谐波电流
6.2治理方案
原先电容柜替换为SVG静止无功发生器，防止无功补偿柜受谐波影响损坏电容，也防止发生谐振，从而导致无功补偿柜烧毁。容量按原先电容柜容量进行替换，功率因数可达1，减少客户电费支出。
根据该污水处理厂电能质量的实测结果，变压器二次侧含有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%，所以建议安装有源滤波器。*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。
7 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。通过对水处理行业供配电系统电能质量进行研究，结合系统平台提出合理的整体解决方案，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。