基于加速器的諧波治理

崔慧東

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 概述

加速器是使帶電粒子加速的裝置，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于非破壞性金屬探傷、放射性同位素制造、放射性醫(yī)療等領(lǐng)域，加速器是由英國(guó)科學(xué)家于1919年發(fā)明，1955年由中科院原子能所建成我國(guó)首臺(tái)質(zhì)子靜電加速器，之后數(shù)十年快速發(fā)展，并破除國(guó)外技術(shù)壟斷，如今在一般工業(yè)、核工業(yè)領(lǐng)域形成了一批由國(guó)內(nèi)企業(yè)主導(dǎo)的加速器品牌。無(wú)源濾波器最早是于上世紀(jì)初由美德兩國(guó)科學(xué)家發(fā)明，并與上世紀(jì)中葉技術(shù)趨于成熟。我國(guó)對(duì)無(wú)源濾波器的廣泛使用始自20世紀(jì)50年代后期。時(shí)至今日，濾波形式多種多樣，并發(fā)展出更趨完善的有源濾波裝置，但無(wú)源濾波器依然被廣泛使用，另外隨著保護(hù)裝置的智能化進(jìn)步，無(wú)源濾波過(guò)去的部分缺陷被明顯弱化。加速器配備濾波裝置是從工業(yè)用電狀況出發(fā)，考慮工業(yè)領(lǐng)域存在大量諧波源，一方面是為減少諧波對(duì)加速器的影響，為加速器提供良好的工作環(huán)境；另一方面是一定程度的減少工業(yè)車(chē)間的電能損耗與諧波污染。

1 諧波影響

諧波源一般有如下四種：電力電子器件、變壓器、變頻設(shè)備和其他負(fù)載。而諧波對(duì)電網(wǎng)及用電設(shè)備的危害主要在于：

1）使公用電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)、輸電及用電設(shè)備的使用效率，增加電網(wǎng)線(xiàn)損。在三相四線(xiàn)制系統(tǒng)中，零線(xiàn)會(huì)由于流過(guò)大量諧波電流而過(guò)熱，部分情況甚至引發(fā)火災(zāi)。

2）超標(biāo)的諧波將增加設(shè)備及導(dǎo)線(xiàn)的選型難度。導(dǎo)線(xiàn)與中性線(xiàn)根據(jù)諧波含量計(jì)算截面，當(dāng)諧波含量超過(guò)33%時(shí)將按中性線(xiàn)選擇截面，并導(dǎo)致導(dǎo)體截面過(guò)大。用電設(shè)備會(huì)因諧波干擾而使靈敏度降低，高次諧波含量較高的諧波電流會(huì)降低斷路器的開(kāi)斷能力，影響保護(hù)裝置的正常動(dòng)作或誘使保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)作。測(cè)量?jī)x表也會(huì)由于諧波干擾而失真。另外諧波也會(huì)促使設(shè)備過(guò)熱及絕緣老化，降低設(shè)備的使用壽命。

3）諧波易使電網(wǎng)與補(bǔ)償電容器之間產(chǎn)生諧振，諧振能將諧波電流放大數(shù)倍甚至數(shù)十倍，進(jìn)而形成過(guò)電流，燒毀用電設(shè)備，嚴(yán)重時(shí)甚至引起電容爆炸，形成安全事故。

4）諧波對(duì)電力通信設(shè)備也同樣具有巨大的干擾影響，易生成“噪聲”，嚴(yán)重時(shí)致使通信設(shè)備無(wú)法工作。

5）對(duì)于加速器設(shè)備，由所帶負(fù)載引起的諧波會(huì)影響工作區(qū)其他設(shè)備的正常運(yùn)行，而工作區(qū)內(nèi)其他設(shè)備所引起的超標(biāo)諧波也會(huì)使加速器運(yùn)行失常。

因此，消除諧波無(wú)論對(duì)于電網(wǎng)正常運(yùn)行還是用戶(hù)側(cè)用電設(shè)備的可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，都具有重要的意義。而在選擇濾波方式時(shí)，可根據(jù)供電網(wǎng)或設(shè)備的諧波次數(shù)、功率大小，以及經(jīng)濟(jì)情況，選用有源濾波或無(wú)源濾波等方式。

2 諧波管制標(biāo)準(zhǔn)

為保證電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，目前許多國(guó)家、國(guó)際組織以及一些大型電力公司都制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)現(xiàn)行諧波治理標(biāo)準(zhǔn)為GB/T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》。其中，諧波電流允許值如表1所示。

3 治理方式

減小諧波影響的技術(shù)措施主要有加裝有源或無(wú)源濾波裝置、增加換流裝置的脈動(dòng)數(shù)、在用戶(hù)進(jìn)線(xiàn)處加裝串聯(lián)電抗器、改善三相不平衡等方法。在對(duì)加速器設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期的諧波檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)其諧波主要集中在3次與5次諧波，三次諧波電流含量在一般負(fù)載情況下可以達(dá)到73%，五次諧波電流含量可達(dá)55%。其中，實(shí)驗(yàn)帶載條件下120Hz重復(fù)頻率時(shí)電壓波形如圖1所示。150Hz重復(fù)頻率時(shí)電壓波形如圖2所示。

表1 諧波電流允許值

圖1 120Hz重復(fù)頻率時(shí)的電壓波形

圖2 130Hz重復(fù)頻率時(shí)的電壓波形

由此，可根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則采用無(wú)源濾波方式。加速器在有無(wú)功補(bǔ)償裝置的作業(yè)環(huán)境中，應(yīng)在補(bǔ)償電容器一側(cè)加裝12%～13%的串聯(lián)電抗器。在沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償裝置的系統(tǒng)中，也可采用無(wú)源濾波裝置抑制諧波，同時(shí)兼顧動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償作用。

加速器供電電源為相電壓220V標(biāo)稱(chēng)電壓，串聯(lián)電抗器可用于400V，600V的低壓系統(tǒng)，且電抗器應(yīng)能在工頻加諧波電流不大于1.35倍額定電流下長(zhǎng)期運(yùn)行，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)將噪聲控制在45dB以?xún)?nèi)。

串聯(lián)電抗器可分三類(lèi)：

1）限流電抗器，電抗率一般小于1%。

2）失諧或消諧電抗器，用以抑制無(wú)功補(bǔ)償電容器引起的諧波放大。

3）調(diào)諧或?yàn)V波電抗器，既可以抑制無(wú)功補(bǔ)償電容器引起的諧波放大，又具有較強(qiáng)的諧波電流分流作用或?yàn)V波作用。當(dāng)采用調(diào)諧電抗器時(shí)，電容器亦應(yīng)采用濾波電容器。

無(wú)源濾波是由濾波電容器和電抗器串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)諧振濾波支路，分別諧振于需濾除的主要諧波頻率，各濾波支路均與諧波負(fù)載并聯(lián)，對(duì)負(fù)載諧波電流構(gòu)成分流支路，需要濾除的諧波電流絕大部分被引流至分流支路。并且，分流的諧波不會(huì)重新回到主電路中。對(duì)于工頻基波電壓，無(wú)源濾波器等同于補(bǔ)償電容器，可補(bǔ)償系統(tǒng)所需無(wú)功功率。

無(wú)源濾波主要有如下方式：

1）單調(diào)諧濾波器；

2）雙調(diào)諧濾波器；

3）雙調(diào)諧帶高通濾波器；

4）二階高通濾波器；

5）三階高通濾波器；

6）C型阻尼高通濾波。

其中單調(diào)諧濾波器、二階高通濾波器以及C型阻尼高通濾波器較常用。單調(diào)諧濾波器主要針對(duì)諧波電流較大的低次諧波，二階及C型阻尼高通濾波器主要應(yīng)用于濾除高次諧波。各種濾波方式具體接線(xiàn)如圖3所示。

圖3 濾波器常用接線(xiàn)方式

本段僅對(duì)單調(diào)諧濾波進(jìn)行分析計(jì)算，其他接線(xiàn)方式分析方法類(lèi)似，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同環(huán)境，對(duì)不同接線(xiàn)方式靈活運(yùn)用。

圖3（a）中電容器容量計(jì)算公式為：

其中，U為系統(tǒng)相電壓有效值，In為系統(tǒng)該次諧波電流有效值。

進(jìn)而計(jì)算電容：

其中，ω為系統(tǒng)基波角速度，U為電容器額定電壓。

再根據(jù)C和支路諧振頻率計(jì)算電感L的大?。?/p>

其中，n為諧波次數(shù)。

根據(jù)濾波效果選取濾波支路品質(zhì)因數(shù)Q，一般Q選取范圍是30～60，假設(shè)電抗器電阻為RL，則需要加的電阻器R的大小為R=n×ω0×L/Q-RL；考慮到散熱以及成本問(wèn)題，在濾波效果滿(mǎn)足要求的情況下，也可以不加電阻器。通常，一個(gè)調(diào)諧支路只能濾除單一頻率的諧波電流，所以，當(dāng)需要濾除多次諧波時(shí)，應(yīng)采用多個(gè)調(diào)諧支路，分別消除各目標(biāo)諧波。

4 濾波保護(hù)

無(wú)源濾波器的工作原理是計(jì)算零阻抗、實(shí)際環(huán)境低阻抗情況下的諧波分流。因此其工作效果將受到電網(wǎng)系統(tǒng)諧波阻抗大小的影響，當(dāng)系統(tǒng)諧波阻抗較小時(shí)，濾波效果較差，當(dāng)濾波器容量較小時(shí)，濾波器諧波阻抗較大，濾波效果同樣不理想。另外，還需計(jì)算電網(wǎng)阻抗和濾波支路的等效并聯(lián)阻抗，檢驗(yàn)是否會(huì)在特征頻率下發(fā)生并聯(lián)諧振。同時(shí)，進(jìn)行電力潮流運(yùn)算，仿真濾波器失諧情況下的濾波性能。

因調(diào)諧支路中串聯(lián)了電感電容等非線(xiàn)性器件，為保證主電網(wǎng)的正常安全運(yùn)行，需要對(duì)調(diào)諧支路進(jìn)行保護(hù)校驗(yàn)。首先，保護(hù)設(shè)施應(yīng)能支持連接和斷開(kāi)電容器組時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)電流，熱磁和電子跳閘裝置的瞬態(tài)保護(hù)裝置也不會(huì)因浪涌電流而跳閘，部分情況下，可采用壓敏電阻器抑制浪涌電流。其中，浪涌電流是電容器投切時(shí)所引起的瞬時(shí)過(guò)電流，而過(guò)電壓的大小則取決于電容器所提供的無(wú)功功率及其安裝位置。其次，保護(hù)設(shè)施應(yīng)支持因電壓諧波和額定電容值公差引起的周期性或永久性過(guò)電流。

對(duì)補(bǔ)償裝置，當(dāng)電容值超過(guò)0.5μF，功率超出0.5Kvar的所有電容器不管其電源電壓類(lèi)型，都建議采用放電電阻，根據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50227，低壓電容器放電剩余電壓應(yīng)不大于50V，放電時(shí)間不大于5s。電容器組放電電阻阻值應(yīng)按式：

計(jì)算，當(dāng)電容器組三相星形接線(xiàn)時(shí)，K值可取1/3。其中R為放電電阻，t為從1.414倍Un到Ur放電時(shí)間，約為180s，Un額定電壓，Ur允許剩余電壓，約為50V，K為相關(guān)系數(shù)，C為電容。

校核調(diào)諧支路各器件的額定電壓、額定電流及無(wú)功功率的公式如下。

其中，c1，ch、cn依次為基波、諧波和額定值。

當(dāng)供電交流電壓源中的某次諧波與調(diào)諧支路中的串聯(lián)諧振頻率相近，可能放大諧波電流，引起干擾和過(guò)流，并損壞電網(wǎng)器件，而如果有非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流流入并聯(lián)諧振電路，則可能產(chǎn)生過(guò)電壓。因此，必須確保電網(wǎng)的諧振頻率盡可能與出現(xiàn)的諧波頻率不同。一般是調(diào)整調(diào)諧支路中的電抗器，電抗器的規(guī)格應(yīng)確保諧振頻率低于電網(wǎng)中諧振電壓的最小頻率。即符合下式：

其中，Xc1為基頻處電容器容抗，XL1為基頻處電容器串聯(lián)的電抗。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)源濾波器相對(duì)有源濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，濾波效果顯著，性?xún)r(jià)比良好。不足在于只能針對(duì)某次或某幾次諧波進(jìn)行濾除，無(wú)法動(dòng)態(tài)跟蹤系統(tǒng)諧波變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)?；诩铀倨鞯臒o(wú)源諧波濾除裝置，更多是應(yīng)用于具有大型負(fù)載且精度要求不高的工業(yè)車(chē)間，并根據(jù)具體負(fù)荷情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，可運(yùn)行在較為復(fù)雜和惡劣的環(huán)境下。同時(shí)，在面向工業(yè)探傷、輻照消毒等細(xì)分領(lǐng)域，基于加速器的濾波市場(chǎng)前景巨大。另外應(yīng)市場(chǎng)需求，相關(guān)產(chǎn)品目前正在積極研制過(guò)程中。

[1]任元會(huì),卞鎧生,姚家祎.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）[M].中國(guó)電力出版社.

[2]JGJ16-2008.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

[3]GB/T14549-93.電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.

[4]GB50227-2008.并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國(guó)計(jì)劃出版社.