淺析電網(wǎng)諧波對天然氣站場設(shè)備的危害及抑制技術(shù)

呂傳品

【摘要】隨著科技進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新，天然氣工藝流程中的電子設(shè)備集成度也逐步變高，相應(yīng)的對電網(wǎng)質(zhì)量的要求也變得更高，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、站控機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、電驅(qū)壓縮機(jī)等精密生產(chǎn)設(shè)備很容易受外界電磁場干擾影響，導(dǎo)致控制單元損壞或失靈，致使設(shè)備無法正常運(yùn)行，為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。

【關(guān)鍵詞】電網(wǎng)諧波 危害 抑制技術(shù)

隨著科技進(jìn)步和技術(shù)創(chuàng)新，天然氣工藝流程中的電子設(shè)備集成度也逐步變高，相應(yīng)的對電網(wǎng)質(zhì)量的要求也變得更高，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、站控機(jī)、PLC控制系統(tǒng)、電驅(qū)壓縮機(jī)等精密生產(chǎn)設(shè)備很容易受外界電磁場干擾影響，導(dǎo)致控制單元損壞或失靈，致使設(shè)備無法正常運(yùn)行，為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。例如，2007年西氣東輸棗莊分輸站輸氣工藝流程中的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁出現(xiàn)報(bào)警，導(dǎo)致閥門誤動(dòng)作或不動(dòng)作，經(jīng)現(xiàn)場測試，其結(jié)果表明就是電網(wǎng)中諧波頻次高所致

1 影響天然氣站場設(shè)備的電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。

電源本身諧波的產(chǎn)生一部分是由于設(shè)備制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢也會(huì)偏離正弦電動(dòng)勢，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。

諧波的產(chǎn)生很大一部分是由于非線性負(fù)載設(shè)備所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加電壓不呈線性關(guān)系；就形成了非正弦電流，即產(chǎn)生了諧波。 在非線性負(fù)載中，下面的一些設(shè)備都能產(chǎn)生諧波

1.1 變頻裝置

變頻器是天然氣增壓站場中電驅(qū)壓縮機(jī)運(yùn)行的主要設(shè)備，主要負(fù)責(zé)電驅(qū)壓縮機(jī)組電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控和電機(jī)的啟停。變頻器在運(yùn)行過程中，使用電子器件的關(guān)斷對輸入電源進(jìn)行整流和逆變，整流和逆變的過程中，會(huì)在輸入輸出回路產(chǎn)生變頻器高次諧波，對供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾。

1.2 電弧爐

電弧爐在工作過程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，工作過程分為熔化期、氧化期、還原期三個(gè)階段，而電弧爐的工作過程就是電弧頻繁的拉斷和提升，導(dǎo)致各相電流的不平衡、電壓畸變，產(chǎn)生2—7次諧波，對容量小的電網(wǎng)和周圍的用電設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。如棗莊輸氣站工藝控制設(shè)備正是附近一家冶煉鐵廠生產(chǎn)所致諧波污染電網(wǎng)。

1.3 開關(guān)電源

開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波主要有兩個(gè)方面：一是開關(guān)電源中普遍采用的電容濾波型橋式整流電路造成的輸入電流波形畸變；二是電源電路中的開關(guān)器件及感性負(fù)載工作于15kHz以上的高頻開關(guān)狀態(tài)而產(chǎn)生的尖峰脈沖。

1.4 變壓器

變壓器產(chǎn)生諧波一方面是與變壓器的設(shè)計(jì)有關(guān)，另一方面是變壓器運(yùn)行時(shí)，鐵芯磁通發(fā)生變化，達(dá)到飽和后，流過鐵芯繞組回路的勵(lì)磁電流發(fā)生畸變而產(chǎn)生諧波，所產(chǎn)生的諧波成份以3次諧波為主。

2 諧波對天然氣站場設(shè)備的危害

2.1 增加了設(shè)備功率損耗、電能損耗，降低設(shè)備使用壽命

諧波電流流過線路或設(shè)備時(shí)，會(huì)使供電線路或設(shè)備有效電阻增加，導(dǎo)致供電線路或設(shè)備發(fā)熱，降低設(shè)備的使用壽命，增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗。

2.2 諧波會(huì)影響站場中電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、循環(huán)泵、電驅(qū)壓縮機(jī)中電機(jī)的利用率和效率

國際上建議在持續(xù)工作的條件下的電動(dòng)機(jī)承受的負(fù)序電壓不宜超過額定電壓的2%。如果在額定出力下，電動(dòng)機(jī)所承受的負(fù)序電壓為3%的額定電壓時(shí)，將使電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命降低50%。諧波所產(chǎn)生脈沖轉(zhuǎn)矩，還可能使電機(jī)轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭曲振動(dòng)。并使葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)，影響天然氣壓縮機(jī)組或其他旋轉(zhuǎn)設(shè)備的正常工作。

2.3 影響或干擾天然氣站場測量儀表精度、SCADA控制系統(tǒng)及通訊系統(tǒng)工作

電網(wǎng)中流過設(shè)備的3、5、7、11奇次低頻諧波電流，通過磁場耦合產(chǎn)生干擾電壓，導(dǎo)致二次測量儀表，如壓力變送器、流量計(jì)算機(jī)計(jì)量數(shù)值精準(zhǔn)度，使PLC可編程控制器及智能控制器誤動(dòng)作或不動(dòng)作，降低通訊設(shè)備工作質(zhì)量，對通訊系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2.4 影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作

由于保護(hù)裝置的整定值一般比較小、靈敏度高，電網(wǎng)中的諧波會(huì)使電壓、電流發(fā)生畸變，使電壓、電流突然的升高或降低，導(dǎo)致壓氣站中變電站的主變復(fù)合電壓啟動(dòng)過電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作，以及站場中各種型號的繼電保護(hù)裝置、高頻保護(hù)、自動(dòng)保護(hù)裝置等發(fā)生誤動(dòng)作。

2.5 諧波會(huì)使設(shè)備內(nèi)部元件出現(xiàn)過熱

諧波會(huì)使設(shè)備內(nèi)部元件出現(xiàn)過熱，使數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致設(shè)備誤動(dòng)作或不動(dòng)作。

3 諧波抑制措施

3.1 合理設(shè)計(jì)、規(guī)劃設(shè)備用電

通常，測量、控制裝置啟動(dòng)時(shí)電壓比較平穩(wěn)，而動(dòng)力裝置的啟動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)大，如果不進(jìn)行合理規(guī)劃設(shè)計(jì)，就會(huì)影響干擾測量、控制裝置。因此在設(shè)計(jì)、規(guī)劃設(shè)備用電時(shí)，應(yīng)對干擾大的動(dòng)力裝置與測控裝置相互隔離，或采取不同相線供電的方法，可以使通過電源線的干擾大大降低。

3.2 加裝濾波裝置

濾波裝置分為有源濾波和無源濾波兩種。無源濾波就是采用由電容、電抗和電阻組成的無源元件濾波裝置來減輕諧波對電氣設(shè)備的危害，防止諧波電流的竄入，來減少諧波對站場設(shè)備的影響，。另一種方法是加裝有源濾波裝置設(shè)備，使用現(xiàn)代電力電子技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測線路中諧波，然后經(jīng)電流運(yùn)算生成與諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流消除產(chǎn)生諧波。

總之，防治電源諧波，一方面要提高設(shè)備的制造工藝，從源頭上限制諧波的產(chǎn)生。另一方面還要設(shè)法提高設(shè)備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護(hù)性能，只有這樣才能保證天然氣站場的正常生產(chǎn)。

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