城市污水处理厂低压配电系统谐波防治的分析

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【摘 要】随着科学技术的不断发展，城市污水处理厂中使用非线性设备越来越多，所产生的谐波对污水处理厂的可靠运行造成一定的影响。文章通过简单分析城市污水处理厂低压配电系统运行过程中的谐波特点以及产生的危害，提出抑制谐波电流的措施与建议，降低谐波对配电系统的危害，保证其可靠运行，对污水处理厂低压配电系统的谐波防治有一定的指导意义。

【关键词】污水处理厂；低压配电系统；谐波

随着科学技术的不断发展，非线性设备已在我国市政工程中得到广泛的应用，尤其是在城市污水处理厂中，非线性设备在使用过程中产生的高次谐波会对污水处理厂中的控制、监控、照明等设备的可靠运行造成极大的影响[1]。采取有效的防治措施以降低谐波对低压配电系统的影响，确保污水处理厂的可靠运行，已成为重要的研究课题。

1 污水处理厂中各系统谐波源的特点

在城市污水处理厂中往往是强、弱电等多个系统并存；高、低压电压并存；交、直流供电制并存，且应用了较多的非线性电气设备。对各电气设谐波源可分为以下几种[2]：（1）变配电室直流屏。变配电室的直流屏，容易产生5～7次谐波电流；（2）风机、变频控制器。功率较大的水泵、风机往往配置有变频控制器，容易产生5次或7次谐波电流；（3）弱电系统电源。在污水处理厂中包括PLC 控制、通信系统及监控系统等弱电系统，易产生3次以及多次谐波电流；（4）气体放电灯与电子镇流器。电路中存在电弧，因电弧的负阻特性从而产生3次谐波电流；而电子镇流器在整流后，可将直流电转变为高频交流电，但在转变的过程中易产生3次谐波；（5）检修电源。在对污水处理厂中设备进行日常维护检修的过程中不可避免的会产生电弧，而电弧的负阻特性也会引起谐波电流。

2 谐波电流对污水处理系统的影响分析

2.1 变压器

谐波电流容易导致变压器的铜损与铁损增加，引起绝缘介质老化，从而缩短变压器的使用寿命，且由于谐波电流的存在，会降低变压器的利用率，增加投资成本。在污水处理厂的低压配电系统中，其变压器一般采用三角/星形的接线方式，也为零序谐波在一次侧绕组中提供环流通路，以对3 次谐波向电源端的传导进行抑制。但这种接线方法无法阻止其他频率的谐波传导到电源端。

2.2 电动机

谐波电流的存在会导致电动机损耗不断增加，使线圈温度上升，从而缩短电动机的使用寿命。特别是负序谐波的存在，其对电动机的危害更大。而在电动机中，5 次、11 次谐波均属于负序谐波，其产生的反方向旋转磁场容易导致电动机的转矩下降，和正序电流一起使电动机震动并产生噪声。谐波电流使电动机的功率降低，为了保证电动机的输出功率，就要相应增加输入电流，导致功率损失。

2.3 电容器

在降压变配电室的0.4kV母线上安装有电容器补偿柜可以提高配电变压器的功率及利用率。因并联电容器容抗与电流频率呈反比，电容器组对谐波电流可表现出对谐波进行吸收的作用，因此电容器组具有滤波作用[3]。但是谐波电流的存在就会导致电容器过流发热甚至击穿电容，从而缩短电容器的使用寿命。

2.4 电线电缆

在正常情况下，线路电缆中的谐波含量并不会影响线路的升温，但在谐波电流放大时，如线路中的5次、13次谐波放大，当放大倍数较大时，就会对电缆线路升温造成影响，从而导致电缆局部温度过高，容易引发火灾事件。

3 城市污水处理厂低压配电系统谐波的防治措施

3.1 采用带电抗补偿系统的变配电室电容补偿

3.1.1 工作原理分析

电抗器电抗XL=ωL，补偿电容容抗Xc=1/（ωC） ，f 0代表该电路的谐振频率，如此时的阻抗为0。在谐振条件XL=Xc下，可得到f0= fe/p1/2。式中fe表示系统额定频率；p代表电抗率；一般情况下，f0不应超过电路中含量较多的最低次谐波，且串联谐振电路会对超出f0 的谐波呈感性，对低于f0 的基波呈容性，使谐振现象得以消除，实现电容补偿的目的。

3.1.2 应用分析

通过负荷类型统计得到，污水处理厂低压配电系统中的非线性设备产生的谐波主要包括3次与5次谐波。如图1所示，电抗率p可取值12.5%，得出f0=141Hz，即为曲线1；由此可见曲线对3次谐波呈低阻抗，此时可吸收大量的3次谐波电流。但因曲线1对5次谐波呈高阻抗，其无法对5次谐波进行吸收，故需要对电抗率p 取值为4.5%，得出f0=236Hz，即为曲线2，而曲线2对5次谐波呈低阻抗，可吸收大量的5次谐波电流。可见通过对两条曲线进行结合可以实现对3次、5次谐波的有效抑制。

图1 低压配电系统非线性负荷产生的谐波与抑制

如上所述，采用双电抗系数（12.5%+4.5%）的非调谐滤波设备，对污水处理厂的配电网络谐波抑制是可行的。若将2种电抗系数的电抗分别和电容进行串联，并根据补偿系统的负荷变化把多组进行分组轮换投切。该带电抗器电容补偿系统，不仅能有效提高功率因数的功能，还能实现抑制谐波与净化电网的目的。

3.2 合理增大低压电缆和低压柜中母线的中性线截面

城市污水处理厂在使用带电抗器补偿装置之后，能有效降低变压器的损耗，从而提高其利用率。但在低压配电系统中，非线性负荷电缆与低压柜中仍然存在大量的谐波电流。因此为了避免因中性线过热导致事故，还须合理增加中性线截面。

4 结束语

综上所述，在污水处理厂的低压变配电室母线上进行并联电容器补偿装置的设置，采用双系统电抗器补偿系统与，同时合理增大电缆中性线截面，不仅对基波具有功率因数的补偿作用，使功率因数能符合实际的需求，限制合闸涌流；而且还能有效防止因中性线过热产生事故，对污水处理厂低压配电系统的谐波抑制与净化具有重要的意义，能提高配电系统的电能质量。

参考文献：

[1]郑强，高德河.SCADA系统在城市污水处理厂的应用[J].科技与企业，2014（1）.

[2]侯爱国，温晋勇.工厂低压配电系统谐波防治措施的探讨[J].甘肃冶金，2011（5）.

[3]彭一涛.某污水处理厂供配电系统的设计[J].工程设计与研究，2012（1）.