諧波對(duì)油田電網(wǎng)的影響

白文玉 齊紹新 才松林 于生（吉林油田分公司勘察設(shè)計(jì)院）

諧波對(duì)油田電網(wǎng)的影響

白文玉 齊紹新 才松林 于生（吉林油田分公司勘察設(shè)計(jì)院）

油田隨著開發(fā)的持續(xù)進(jìn)行，逐步在集輸系統(tǒng)、注水系統(tǒng)、機(jī)械采油系統(tǒng)等大量采用變頻調(diào)速裝置，與傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)速相比，變頻器調(diào)速有諸多優(yōu)點(diǎn)。但是由于變頻器電路的開關(guān)特性，對(duì)供電電源形成了一個(gè)典型的非線性負(fù)載，其對(duì)電力系統(tǒng)供電電能質(zhì)量有著重要的影響。以變頻器為代表的電力電子裝置成為油田電網(wǎng)最主要的諧波源，通過對(duì)其作用分析，闡明諧波的影響與危害。通過采用無源或有源濾波器、增加變壓器容量等技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了消除諧波、提高電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)安全性的目標(biāo)，為油田電網(wǎng)的運(yùn)行管理提供了技術(shù)支持。

油田電網(wǎng) 諧波 影響

1 諧波產(chǎn)生的過程

諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已被消除，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更大。

吉林油田某采油廠在變壓器諧波測試過程中的兩組數(shù)據(jù)（表1、表2），足以說明變頻器產(chǎn)生的諧波影響嚴(yán)重。超出標(biāo)準(zhǔn)值1.0%；5次諧波電壓含有率為5.8%，超出標(biāo)準(zhǔn)值1.8%；5次諧波電流值為95 A，超出允許電流值33 A；7次諧波電流值為66 A，超出允許電流值22 A，都超過標(biāo)準(zhǔn)要求。其主要原因是來自于負(fù)荷端各種用電設(shè)備各次諧波電壓含有率和各次諧波電流累加值所造成的。這樣會(huì)造成一次供電端供電質(zhì)量的下降，建議在變壓器二次安裝濾波器，抑制各種諧波對(duì)一次供電質(zhì)量的影響。

表1 某臺(tái)供電設(shè)備的諧波影響測試結(jié)果

根據(jù)GB/T 14549—1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)諧波限值及諧波測量的具體要求，表2所示變壓器各次電壓畸變率符合國家標(biāo)準(zhǔn)；5次諧波電流值為44 A，超出允許電流值5.25 A，超過國家標(biāo)準(zhǔn)13.55%。

表2 變壓器諧波影響測試結(jié)果

2 諧波對(duì)油田電網(wǎng)的危害

對(duì)于油田電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面。

2.1 附加損耗增加，降低設(shè)備的利用率

2.1.1 電力諧波對(duì)輸電線路的影響

諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，會(huì)對(duì)輸電線路和電力電纜線路造成絕緣擊穿。諧波會(huì)引起電網(wǎng)諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成重大威脅，特別是對(duì)電容器和與之串聯(lián)的電抗器，電網(wǎng)諧振會(huì)使之燒毀。諧波使電網(wǎng)電壓正弦波發(fā)生畸變，電能質(zhì)量下降。

2.1.2 電力諧波對(duì)變壓器的影響

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。變壓器的非對(duì)稱性負(fù)荷會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量，產(chǎn)生過熱溫度，使絕緣介質(zhì)老化加速，導(dǎo)致絕緣損壞，并且產(chǎn)生磁滯伸縮和噪聲。

2.1.3 電力諧波對(duì)電力電容器的影響

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

無功補(bǔ)償裝置發(fā)生了嚴(yán)重的諧波放大現(xiàn)象，經(jīng)測試，其中16次與17次諧波電流已分別達(dá)到基波電流的115.2%與185.51%。自愈式并聯(lián)電容器國標(biāo)規(guī)定，包括諧波電流在內(nèi)的允許過電流為1.3倍額定電流，因此，這時(shí)的諧波電流值是相當(dāng)大的，影響非常大。嚴(yán)重的諧波過電流使電容器損耗功率增加，導(dǎo)致電容器異常發(fā)熱。

2.1.4 電力諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

在供電系統(tǒng)中，用戶的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷約占整個(gè)負(fù)荷的85%左右。對(duì)異步旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)而言，定子中的正序和負(fù)序諧波電流分別形成正向和反向旋轉(zhuǎn)磁場，使旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生固定數(shù)的震動(dòng)力矩和轉(zhuǎn)速的周期變化，因此，諧波對(duì)電力用戶電動(dòng)機(jī)的影響最為明顯。諧波能使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩，從而使發(fā)熱增加、電動(dòng)機(jī)的效率下降，并減少電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命。諧波產(chǎn)生的脈沖轉(zhuǎn)矩，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸扭曲和機(jī)械振動(dòng)問題，發(fā)出很大的噪聲。產(chǎn)生的高次諧波，用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償時(shí)，有可能會(huì)產(chǎn)生諧波放大現(xiàn)象，應(yīng)引起注意。

2.1.5 電力諧波對(duì)斷路器的影響

諧波電流的發(fā)熱作用大于有效值相等的工頻電流，能降低熱元件的發(fā)熱動(dòng)作電流。高次諧波含量較高的電流能使斷路器的開斷能力降低。

2.2 其他方面危害

1）影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作可靠性。特別對(duì)于電磁式繼電器來說，電力諧波常會(huì)引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2）對(duì)通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時(shí)，會(huì)在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端情況下還會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。

3）對(duì)其他用電設(shè)備有危害。電力諧波會(huì)使生產(chǎn)中使用的計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，機(jī)內(nèi)元件溫度過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)甚至損害機(jī)器。

4）諧波還影響電網(wǎng)的質(zhì)量。諧波不但使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，而且同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。

此外，電力諧波還會(huì)對(duì)測量和計(jì)量儀器的指示精度及整流裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的一大公害。

3 油田電網(wǎng)諧波的治理

由于諧波存在的廣泛性和頻譜的多樣性，諧波的管理面臨極大的困難，可以說在供電系統(tǒng)中完全消除諧波是不可能的，但可以對(duì)一些危害比較大的諧波進(jìn)行有效的處理。為減少供電系統(tǒng)的諧波問題，可以采取以下措施。

3.1 使用無源濾波器或有源濾波器[1]

運(yùn)用由L、R、C元件構(gòu)成的諧振回路，可阻止與諧振回路的諧振頻率相同或相近的諧波進(jìn)入電網(wǎng)。如在電力電子設(shè)備的交流側(cè)安裝無源濾波器；利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流趨向零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的；在諧波源處并聯(lián)加裝靜止無功補(bǔ)償裝置，可以有效減少波動(dòng)的諧波量，改善功率因數(shù)，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力；將電容器組的某些支路改為濾波器或串聯(lián)電抗器，也可以限定電容器組的投入容量，避免電容器對(duì)諧波的放大。

3.2 增加變壓器的容量

由于非線性負(fù)載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個(gè)畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其他負(fù)載，引起諧波電流在其上流過，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積、減少回路的阻抗方式來實(shí)現(xiàn)。

目前，國內(nèi)較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護(hù)元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護(hù)特性與功能，又加大了投資，增加供電系統(tǒng)的隱患。

此外還有一些特定的方法，如增加換流裝置的相數(shù)、脈寬調(diào)制法、三相整流變壓器采用Y/Δ或Δ/Y的接線法等。

3.3 使用無諧波污染的綠色變頻器

輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負(fù)載時(shí)都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內(nèi)置的交流電抗器能很好地抑制諧波，同時(shí)可以保護(hù)整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實(shí)踐表明，不帶電抗器產(chǎn)生的諧波電流明顯高于帶電抗器產(chǎn)生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，可在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器，并且在變頻器允許的情況下，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中通過消除最低次諧波來減少諧波含量。

3.4 加強(qiáng)管理，減少諧波的危害

諧波是附著于基波的、以電流的形式在電網(wǎng)中傳輸，整個(gè)電網(wǎng)受其影響，因此可以采取一定的措施使諧波在一定的范圍內(nèi)流動(dòng)而不影響電網(wǎng)的其他部分。各部門各負(fù)其責(zé)，盡量不把本部門管轄范圍內(nèi)的諧波傳送到其他線路。通過一定的技術(shù)手段，加強(qiáng)監(jiān)測，實(shí)時(shí)控制，并通過加大供電系統(tǒng)短路容量、提高供電系統(tǒng)的電壓等級(jí)、加大供電設(shè)備的容量、盡可能保持三相負(fù)載平衡等措施，提高電網(wǎng)抗諧波的能力。

4 結(jié)束語

綜上所述，可以清楚地了解諧波產(chǎn)生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍內(nèi)，抑制電網(wǎng)污染，提高電源質(zhì)量。

諧波問題是復(fù)雜的，要解決供電系統(tǒng)中的諧波問題，必須要多方面共同努力，通過制定相關(guān)政策、健全相關(guān)制度和技術(shù)創(chuàng)新，一定可以把諧波控制在較微小的范圍內(nèi)，從而保證電網(wǎng)和電力設(shè)備的安全運(yùn)行，杜絕諧波造成的電力安全事故，保證油田安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

1]任元會(huì),卞鎧生,姚家偉.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國電力出版社,2005.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.02.014

白文玉，1989年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院，高級(jí)工程師，從事節(jié)能監(jiān)測工作，E-mail：jilinbwy@sohu.com，地址:吉林油田分公司勘察設(shè)計(jì)院，138000。

2011-12-15）