大型燃气轮机电厂静止变频器的谐波污染及抑制方法

大型燃气蒸汽联合循环机组在起动、高盘冷却、水洗等过程中,整个轴系的驱动力矩由同步发电机作为电动机运行来提供。静态变频器由隔离由变压器、整流器、直流电抗器、逆变器等组成,变频器外部输入来自厂用6k V母线,经隔离(输入)变压器,晶闸管三相全控桥整流变为4.1k V直流,经直流电抗器平波后,再经晶闸管三相全控桥逆变为频率可变,电压为3.4k V的交流电,驱动发电机作为同步电动机运行。

1 燃机电厂谐波的产生

燃机电厂静态变频器(SFC)由6k V母线供电,采用交-直-交电流变换,额定功率4900k W,如此大的非线性负荷,在其工作时将使厂用6k V母线电压波形产生严重的畸变,对6k V及380V低压厂用电造成谐波污染。由于静态变频器从厂用母线中吸取能量的方式不是连续的正弦波,而是以脉动的断续方式向电网索取电流,这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压将叠加在电网的电压上,使电压发生畸变。由傅里叶变换可知,任何周期性非正弦波都可分解为基波与一系列的高次谐波。因此在静态变频器(SFC)运行时,将产生大量的高次谐波注入厂用电系统。由于三相系统的对称关系,偶次谐波已被消除,只有奇次谐波存在。在中性点不接地的低压系统中,由于3次谐波电流没有通路,因此3次谐波已被抑制。

2 谐波对厂用电系统危害

(1)容易使厂用电系统构成谐振条件:静止变频器(SFC)电源取自6KV厂用母线,母线上除谐波源外还有电力电容、电缆、供电变压器及电动机等负载,而且这些设备处于经常性的变动中,容易构成谐振条件。一旦发生谐振,将会发生系统过电压而跳闸甚至绝缘击穿。

(2)对发电机出口电压互感器的影响:静止变频器(SFC)在运行时,谐波的干扰同时加在发电机机端的出口电压互感器上,谐振过电流会使电压互感器熔断器熔断,谐振过电压使电压互感器铁芯磁通饱和,严重发热、甚至烧毁。目前该类型电厂已出现过电压互感器熔断器熔断和烧毁的现象。

(3)对变压器的影响:谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加,而谐波电流使变压器的铜耗增加,造成变压器过热,降低变压器寿命,导致早期故障。

(4)对厂用电动机的影响:厂用电动机均为感应式异步电动机。电压谐波会导致直接的感应电动机的额外损耗。高次谐波导致的扭矩脉动在联轴器和轴承处会产生磨损和裂纹。由于速度是固定的,在谐波里储藏的能量就以额外的热量形式散发了,导致设备过早老化。

(5)对电容器和电缆的影响:在谐波电压作用下,使电容器产生额外的功率损耗。电容器对厂用电系统其它部分产生串联、并联谐振,可能发生危险的过电压及过电流,这往往引起电容器熔丝熔断或使电容器损坏。在谐波电压作用下,电缆的介质损耗也增加。使电力电缆绝缘损坏,电缆发生单相接地故障的次数明显增加。

(6)保护装置影响:厂用电回路的谐波电流含量高会使断路器遮断能力降低。这是因为畸变电流过零点时,电弧电流随时间的变化率要比工频正弦电流大,电弧电压的恢复要迅速得多,使电弧容易重燃。因此导致误跳闸或是在该跳闸的时候根本不跳。漏电电流可能会达到使漏电保护装置动作的设定值。事实表明,空气电磁断路器不能遮断其分断能力范围内波形畸变率超过50%的故障电流,还会导致断路器损坏。

3 燃机电厂谐波抑制措施

一般的,对于谐波的抑制方法,多采用隔离、滤波、接地和增加谐波阻抗的方法实现。对于M701F型燃机电厂,也采用这几种方法对大功率静止变频器(SFC)的谐波进行抑制。

(1)使用专用输入(隔离)变压器:使用专用输入(隔离)变压器作为静止变频器与工作电源的隔离,输入变压器对来自于变频装置的传导干扰进行了隔离,变压器的短路阻抗也可以起到与变频器滤波电容等容性元件的补偿作用,短路阻抗值相对越大,谐波含量就越小。

(2)采用无源滤波器:使用大功率的谐波过滤器并联接入静止变频器的电源端,谐波过滤器内部是由电感和电容组成5次和7次滤无源波电路,用来吸收在整流和逆变过程中所产生的5次、7次谐波,防止谐波对电厂其他电气设备的影响,以及谐波反送到厂用电中造成对厂用电的谐波污染,同时也可提高静止变频器系统的功率因数。

(3)可靠接地:保证设备外壳、屏柜均良好可靠的接地,接地电阻符合设计规定;其各盘柜之间的连接电缆也应采用有屏蔽层的电缆,将二次电缆或信号电缆的屏蔽层两端接地,可以抵消外界电磁场的辐射干扰,防止波形受干扰发生畸变。

(4)使用微机消谐装置:厂用电6k V母线电压互感器及发电机出口电压互感器处,均采用了微机消谐装置。6k V母线电压互感器消谐装置,对电压互感器开口三角电压(即:零序电压)进行循环检测。如果是过电压或接地,装置给出相应的报警信号。

4 发电机出口电压互感器防止谐振损坏的方案

在发电机出口电压互感器开口三角加装微机消谐装置,装置可以实时监测PT开口三角电压,通过计算零序电压不同频率的电压分量,其压敏元件的阻抗随谐波电压的变化而变化,从而破坏PT铁磁谐振的产生条件,达到实时在线消除运行过程中瞬时谐振的目的,降低谐振产生的可能性。我厂在实际运用中采取了此种方案,在发电机出口电压互感器的二次侧开口三角增加了一台微机消谐装置,并使发电机出口PT开口三角电压3U0通过发电机出口开关(GCB)的辅助接点接入消谐装置,实现微机消谐装置在发电机并网前与解列后起消谐作用。

在发电机出口电压互感器与中性点之间串入一次消谐装置,其采用大容量非线性电阻片组成,通过限制一次绕组励磁涌流,避免互感器铁芯饱和防止和消除谐振。具体做法可以在发电机出口电压互感器一次侧中性点处各加装一套消谐电阻(RXQ1-35),使PT通过消谐电阻接地,并在消谐电阻两端并联加装真空接触器。在静止变频器(SFC)拖动机组启动前发电机中性点接地开关分开时,真空接触器自动分开,投入消谐器。在在静止变频器(SFC)启动结束退出运行后机组并网前,发电机中性点接地开关自动合上,同时真空接触器自动合上,发电机PT中性点直接接地,退出消谐器。

在发电机出口电压互感器开口三角上并联接入有效电阻,当谐振发生有零序电压出现时,电阻中就有电流通过,而其阻抗通过互感器变比折算到一次侧,从而可防止和消除谐振的发生。

5 结语

通过在静止变频器上采取各种谐波抑制措施以尽可能的抑制谐波和减少谐波对外界的影响。同时为避免谐波引发谐振,保证设备的安全运行,我们通过2009年的技改项目已在发电机出口电压互感器开口三角加装微机消谐装置。2006年至2008年,我厂机组在启动并网前多次发生过机组出口PT烧损、高压保险熔断的事件,自从进行了电压互感器消谐技改后,目前设备运行一直正常。

摘要：使用大功率变频装置也带来了对厂用电的谐波污染,本文针对由此带来的谐波污染,从隔离、滤波、接地和增加PT消谐装置的角度阐述了对谐波的抑制方法,并重点对发电机出口PT增加消谐装置进行了详细阐述。对大型燃气轮机电厂、抽水蓄能以及采用大功率静止变频器的电力用户有一定的借鉴意义。

关键词：燃气轮机,静止变频器(SFC),谐波抑制,消谐