浅谈有源滤波装置应用在水处理行业配电系统中

摘要：水处理行业供配电系统涉及曝气风机、提升泵、污泥脱水设备等负载设备，导致异步电机产生更多无功功率和大量谐波，降低系统功率因数，对配电系统和负载造成很大危害。因此，水处理行业需要更加重视电能质量，通过有源滤波装置进行处理，过滤掉谐波，从而节能降耗。

关键字：水处理行业供配电系统；谐波；电能质量

1、电能质量在水处理行业的主要特点：

1.1水处理业发展平稳，工厂建设逐年稳步增长；

1.2电动机、水泵等负载长期工作，功率因数高，无功补偿相对稳定；

1.3主要谐波源为变频器，且谐波含量较大，需配置有源滤波设备进行谐波处理。

2、水处理业的主要设备

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、污泥脱水设备和干燥设备，以及大型空调系统、变频器和通风设备。这些设备的变频机构和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产生潜在影响，还会影响各种电气设备的正常运行，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功能是为水池提供氧气，主要用于沉砂池。曝气风机连接到管道，然后管道连接到曝气池底部的曝气盘。曝气风机将气体放入曝气池中，为微生物提供充足的氧气，促进化学反应。曝气风机启动时，功率因数为0.8，总谐波畸变率接近30%。

2.2提升泵

提升泵是一种集泵、电机、外壳、控制系统于一体的泵产品。其主要功能是将污水提升到一定高度，然后按照重力流的方法运行，可以控制水量，从而控制反应池中的污水浓度。提升泵功率因数为0.75，谐波畸变率接近30。％~40％。

2.3污泥脱水

脱水法主要包括自然干燥法、机械脱水法和造粒法。自然干燥法和机械脱水法适用于污水和污泥。造粒法适用于混凝沉淀的污泥。污泥脱水设备主要产生5种、7次谐波，污泥脱水设备功率因数为0.8，谐波畸变率接近20。％。

2.4变频器

变频器的主要功能是改变交流电机供电的频率和幅度，从而改变其运动磁场的周期，达到平稳控制电机转速的目的。通过使用变频器的软启动功能，启动电流将从零开始，最大值不会超过额定电流，从而减少对电网的冲击和供电容量的要求，延长设备和阀门的使用寿命。大容量变频器的使用需要与进线电抗器一起使用，有效防止功率部件的扰动和冲击，防止与有源滤波器发生冲突，放大谐波。变频器功率因数为0.9，总谐波畸变率接近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

湖南某污水处理厂的变压器2000kVA，变压器低压侧的两个电容补偿柜，补偿容量为1000kVar，柜内为接触器切割，均为自动切割。在污水处理厂的调试和运行过程中，值班人员发现一组电容器和电抗器被烧毁在低压配电室的电容补偿柜中，其他未损坏且投入运行的电容器和电抗器经现场检测发现温度为80。～在100℃的同时，变压器的噪声和温度明显增大。

3.2分析电容柜损坏原因分析

  电容器、电抗器等部件本身的质量问题。电容器内部填充不良黑胶，过热容易膨胀和鼓包；外部材料采用铁壳，在沿海城市或盐雾高的地方；电抗器采用铝芯，接口氧化高温容易爆炸；

现场施工安装时，电气连接器的紧固问题。如果接口松动，连接点会部分发热；

电容电抗的参数匹配。串抗率不匹配。如果选择480V7%电抗率的电容器和525V14%电抗率的电抗器，那么电容电抗的不匹配就会导致谐振；

环境因数。随着现场环境温度和湿度的变化，电容电抗参数的变化导致串抗率偏移，电容电抗之间会产生串联谐振，电流变大，发热严重；

谐波电压触发的电容柜与负载之间的并联谐振问题，导致母线电压升高，导致电容损坏或负载设备过压保护或损坏。

3.3解决方案

测试点为变压器总出线端。根据污水处理厂电能质量的实际测量结果，变压器总出线端包括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设备，状态良好，电抗率匹配。原因分析是谐波电流过大引起的线路和设备着火。最后，在我公司的建议下，在变压器出线端安装了一个300A有源滤波器。

当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

    变频器、电机、水泵广泛应用于水处理行业，迅速增加了非线性设备的负荷类型和数量，谐波污染日益严重，给配电系统和现场设备带来了巨大的危害。然而，水处理行业供配电系统的谐波问题并没有得到足够的重视。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大。有源滤波装置对提高供电质量、提高电网安全经济运行、保证设备性能、降低能耗具有重要意义。