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中频炉无源滤波器优化配置方案

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中频炉无源滤波器优化配置方案

发布日期:2021-07-23 作者:高敏 点击:

 

中频炉无源滤波器优化配置方案


摘要
中频炉是典型的非线性负荷,其在运行过程中不仅产生特征谐波电流,还会产生非特征谐波(或间谐波)电流注入系统。本文根据某中频炉配电系统现场实测数据,结合数学建模仿真研究,分析了该中频炉配电系统无源滤波器存在的问题,并基于中频炉负荷间谐波广域分布的特点提出了无源滤波器优化配置方案。仿真结果显示,该方案具有较好的改善效果。 

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1
引言
中频炉工作原理
中频炉是一种快速稳定的金属加热装置,其工作原理是三相工频交流电经整流电路转变为直流电,再经逆变电路输出0.5~10kHz的单相中频交流电流,在熔炉感应线圈中产生中频交变磁场,使熔炉中炉料产生感应电动势,产生涡流,使炉料加热升温,直至熔化。
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中频炉整流电路一般采用可控硅三相全控整流桥,属典型非线性负荷。整流电路大多采用6脉或12脉整流电路,也有采用24脉整流电路,在实际运行过程中不仅会产生pk±1次特征谐波电流,还会产生非特征次谐波(或间谐波)电流注入电网,给中频炉无源滤波器的设计带来一定的难度。
中频炉常用补偿方案举例
以下文献给出了一些中频炉无源滤波器设计方案。
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文献[6]~[10]提供的无源滤波器配置方案是针对中频炉的特征谐波进行设计,但对中频炉非特征(间)谐波电流的谐振放大问题考虑还有所欠缺。因此,在实际工程项目中,也存在较多的中频炉配电系统无源滤波器治理效果不理想、治理装置无法投运甚至烧毁的现象。
2
某中频炉配电系统及存在问题
中频炉配电系统单线图
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该金属制品公司35kV系统短路容量为286.9MVA,35kV母线带有8台6.3MVA整流变压器,每2台整流变构成一组24脉波整流电路以带动1台中频炉。4台中频炉的容量均为20t,实际工作时一般只有3台中频炉运行。 
电能质量补偿装置配置方案
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电能质量补偿装置存在问题
 该35kV系统补偿装置安装完成后,正常工况下,12%电抗率支路、5次谐波单调谐和7次谐波单调谐滤波支路可以正常投运,但11次谐波滤波器支路投运后多次发生熔丝熔断现象。 
3
中频炉配电系统测试分析
测点分布图
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  正常运行工况下,在35kV补偿装置全部投运后,该支路基波电流有效值(I1)在48A左右,而总谐波电流最大值(IH)在120A左右,即流过 11次滤波器支路的最大电流达I=129A。
       11次滤波器支路电容器组采用2串2并的联接方式,单个电容器额定电流为28A,故11次滤波支路的额定电流为56A。
可见,实际流过11次滤波器支路的最大电流有效值是额定电流的2.3倍,大大超过了支路的额定电流值,这是造成11次滤波器支路投运后多次发生熔丝熔断的直接原因。
11次滤波器支路基波和总谐波电流变化趋势图
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图  11次谐波滤波器支路基波电流变化趋势
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对11次滤波器支路的间谐波电流进行分析,该支路在6次和8次谐波附近含有丰富的间谐波频谱,特别是8次谐波附近,间谐波电流含量丰富。
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对3#中频炉315馈线的间谐波电流进行分析,虽然3#炉在5次谐波到11次谐波之间含有丰富的间谐波频谱,但8.3次和8.4次间谐波电流含量并不十分突出。 
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根据测试数据,该中频炉配电系统中可能存在对8.3次和8.4次间谐波放大的并联谐振点。
4
中频炉配电系统仿真分析
系统谐波阻抗 
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网络谐波阻抗 
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谐波电流系统
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滤波器投运后的等效谐波阻抗模型
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 在只投运12%电抗率无功补偿支路、5次和7次滤波支路时,中频炉注入系统的6次~6.3次之间的间谐波电流被放大,对7次谐波以后的谐波均有一定的滤波效果;
  当补偿装置的所有支路均投运时,中频炉注入系统的8次与9次谐波之间的间谐波电流均被放大,其中8.3次和8.4次间谐波电流放大倍数最大。 

谐波电流系数曲线(11次滤波器投运前后)
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 图11次谐波滤波器投运前系统谐波电流系数 
 可见,11次滤波器支路过流主要是由8次至9次谐波之间的间谐波电流偏大造成的,主要诱因是该支路与系统阻抗及其他低次谐波补偿装置在8.3次谐波附近发生并联谐振,放大了中频炉产生的间谐波电流。
5
中频炉配电系统补偿装置优化方案 
补偿装置优化原则及方向
无源滤波器补偿支路设计时不仅要考虑中频炉的特征谐波频谱分布,还要充分考虑中频炉的非特征谐波的频谱分布,特别是对于调谐频率附近的间谐波电流。无源滤波器在对特征谐波电流进行滤波时,应避免对含量较大的非特征次谐波电流或间谐波电流产生放大,以免危害系统的安全稳定运行。对于该35kV供配电系统的中频炉,在5次和11次谐波之间含有丰富的间谐波频谱,当11次谐波滤波器投运后,会和其他低次补偿支路以及系统阻抗产生并联谐振,对8次和9次谐波之间的间谐波电流产生放大,因此优化方案的重点是减小对该区间间谐波电流的放大倍数。 

  由于二阶高通滤波器含有一个电阻器,在发生并联谐振时,该电阻器能够增大系统阻尼,减小系统的并联谐振峰,因此可考虑将部分单调谐滤波器调整为二阶高通滤波器。
补偿装置优化方案一
将7次单调谐滤波器调整为二阶高通滤波器(电抗器并联600Ω电阻器),不仅能降低8次和9次谐波之间的并联谐振峰,还能降低5次~7次谐波之间的并联谐振峰。
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图  仅7次谐波滤波器调整为二阶高通滤波器
补偿装置优化方案二
在调整7次滤波器的同时,将11次单调谐滤波器也调整为二阶高通滤波器(电抗器并联500Ω电阻器),则可进一步降低8次和9次谐波之间的并联谐振峰
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图 7次和11次谐波滤波器均调整为二阶高通滤波器
6
结论
        1)无源滤波器进行谐波滤波时,一个串联调谐点必然对应一个并联谐振点。
        2)中频炉不仅含有大量的特征谐波电流,还含有丰富的非特征谐波(间谐波)电流,因此中频炉配电系统无源滤波器设计的难点是在滤除特征谐波的同时如何避免或降低系统的并联谐振点对其非特征谐波(间谐波)的谐振放大问题。
        3)本文针对某中频炉配电系统存在的问题,通过将单调谐滤波器调整为二阶高通滤波器以增大并联谐振时的系统阻尼,明显降低了并联谐振峰,但会影响滤波效果,在应用中应综合权衡。
        4)本文所述的解决方案在电弧炉配电系统中已得到类似应用,如电弧炉在运行过程中2次滤波器设计成二阶C型高通滤波器,目的也是为了减小无源滤波器对2次谐波附近间谐波的放大问题。
        5)无源滤波器设计过程中,应加强对系统网架结构、运行方式及系统参数的调研,测试典型负荷的谐波和无功发射特性,搭建仿真模型优化设计方案,确保无源滤波器安全稳定运行。


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关键词:中频炉,透热炉,熔炼炉

中频炉、熔炼炉、透热炉