污水处理厂谐波问题分析及治理

引言

为了提高污水处理工艺的处理能力和控制水平,污水处理厂大量使用了非线性特性的用电设备,如变频器、臭氧发生器、磁悬浮风机等。虽然这些改进使污水处理厂的运行效果提升明显,但这些设备所产生的大量谐波给供配电系统带来了极大的不稳定性,严重的还会损毁系统中的电气元件和用电设备,造成污水处理厂的运行中断。

1事故现象

某化工园区污水处理厂采用sCB11-2500kVA干式变压器,变压器低压侧配有两台电容补偿柜,补偿容量为1000kvar,柜内为接触器（负荷开关）投切,且均为自动投切。在污水处理厂调试运行过程中,运行值班人员在巡检时发现低压配电室的电容补偿柜内有一组电容器和电抗器烧毁,其他未受损且投入运行的电容器和电抗器经现场检测发现温度均在80～100℃,同时变压器的噪声和温度明显增加,现场75kw外排泵的配套变频柜内噪声也有所增大,且位于外排泵附近的部分仪表（两台Cos61D溶氧仪、两台FMU90超声波液位计、一台FMx21静压液位计）显示数值异常。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。

2事故原因检测

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干扰问题。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。

监测数据结果的分析依据为相关的国家规范标准要求,具体如下:

（1）公共电网谐波电压限值如表1所示。

（2）公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2中规定的允许值。

（3）当电网公共连接点的最小短路容量不同于表2基准短路容量时,按以下公式进行修正:

式中,sk1为公共连接点的最小短路容量:sk2为基准短路容量:Inp为表2中的第n次谐波电流允许值:In为短路容量为sk1时的第n次谐波电流允许值。

（4）在公共连接点处第i个用户的第n次谐波电流允许值（Ini）按以下公式进行计算:

式中,si为第i个用户的用电协议容量:st为公共连接点的供电设备容量:α为相位迭加系数,按表3取值。

3事故原因分析

本次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:

（1）测试点A为3台152kw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33～284A（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75kw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。

4谐波治理方案

通过上述分析,可得出该污水处理厂供配电系统内存在比较严重的谐波问题。针对该问题,提出就地谐波治理和集中谐波治理同时进行的方案。

4.1就地治理方案

针对该污水处理厂臭氧设备在运行时电流波动较为严重并伴有谐波振荡的问题,要求臭氧设备厂家在保证臭氧系统稳定运行的前提下,根据系统工艺对臭氧需求量变化的要求,优化运行模式,尽可能地减小臭氧设备电流波动对整个电网的影响。

污水处理厂使用的4台75kw外排泵变频器运行时电流较大,且满载谐波含量严重超标(图2）,建议在变频器输入侧和输出侧加装变频器原厂配套的消除谐波影响的配件。首先,在输入侧加装交流电抗器,有效增大输入侧的阻抗,减弱系统电源波动对变频器的冲击。其次,在输出侧加装滤波器,减小输出侧的高次谐波与浪涌电压,防止变频器产生的谐波干扰影响到周围其他电气设备和仪表。

4.2集中治理方案

根据该污水处理厂电能质量的实测结果,变压器二次侧含有多种谐波成分,且谐波含量复

杂,建议安装有源滤波器。有源滤波器可滤除的谐波次数范围广（可滤除2～60次谐波）,响应

速度快,且在其额定功率下,谐波电流滤除率可高达95%。在总配电室配套安装有源滤波器的

情况下,可集中滤除系统谐波,不仅能提高污水处理厂电网的用电质量,还可以大大减少谐波电流在输配电线路上产生的电能损耗,节约运行成本,同时降低用电设备的发热、减少绝缘老化、延长使用寿命,降低污水处理厂的维护成本。对于污水处理厂而言,有源滤波器的安装成本较高,但考虑到处理厂的全生命周期,安装有源滤波器还能产生一定的经济效益。

5结语

本文通过某污水处理厂的电能质量现场实测结果和谐波问题的深入分析,证明了谐波问题是该污水处理厂本次事故的主要原因,并针对该问题提出了相应的就地治理和集中治理结合的方案。在该污水处理厂按提出的方案完成改造后,整个供配电系统运行正常,谐波参数达到国家规范要求,同时也提高了供配电设备的使用效率和系统的功率因数,节能效果显著。因该谐波治理方案取得的良好效果,本集团将其纳入至内部的电气设计标准。此后,在集团现有污水处理厂提标改造和新建污水处理厂设计阶段,以此为标准进行电气设计,真正做到了从源头杜绝电网的谐波污染,确保了污水处理厂的长期稳定运行。