通信供電系統(tǒng)功率因數(shù)提高與諧波治理研究

王獻(xiàn)忠，劉練達(dá)，郭龍波

（中國人民解放軍96946部隊，北京 100085）

0 引 言

研究表明，在通信站中可產(chǎn)生無功功率和諧波，對系統(tǒng)的通信質(zhì)量、通信傳輸安全等產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在通信網(wǎng)絡(luò)逐漸擴大的情況下，需要通過分析無功功率和諧波產(chǎn)生的原因，提高功率因數(shù)，治理諧波，以保障通信系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行。

1 無功功率與諧波的產(chǎn)生及其危害

1.1 產(chǎn) 生

在通信供電系統(tǒng)負(fù)載中存在較大的阻感負(fù)載。供電系統(tǒng)中的變壓器、電動機都屬于阻感負(fù)載類型。變壓器、電動機等消耗大量的無功功率，同時電抗器、架空線也是無功功率消耗的主體。供電系統(tǒng)只有使用阻感負(fù)載有效吸收無功功率，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。供電系統(tǒng)中電力、電子等裝置在運行環(huán)節(jié)需要消耗大量無功功率，尤其是相控裝置。各種裝置應(yīng)用過程在線路中形成諧波電流，各諧波源需消耗無功功率。應(yīng)用二極管電路中產(chǎn)生的基波電流與電網(wǎng)中產(chǎn)生的相位電壓基本相同，對基波的無功功率消耗量影響不大，但是其產(chǎn)生諧波電流會消耗定量的無功功率。系統(tǒng)內(nèi)諧波源主要是各種電力、電子等設(shè)備產(chǎn)生的，其中包括變流器、整流器以及變壓器等。在供電系統(tǒng)中，電力、單子等裝置應(yīng)用數(shù)量逐漸增加，導(dǎo)致諧波來源越來越多，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生了重要影響。

1.2 危 害

當(dāng)線路中存在大量諧波時，會引導(dǎo)熔斷器、繼電保護裝置以及自動裝置等產(chǎn)生誤動，還會對系統(tǒng)相鄰區(qū)域通信造成干擾，導(dǎo)致通信系統(tǒng)難以正常工作而影響通信質(zhì)量。

線路中無功功率會影響線路消耗，當(dāng)線路中變壓器兩端電壓變化幅度較大時，會對功率因數(shù)造成影響，對系統(tǒng)負(fù)載造成沖擊，導(dǎo)致線路中電壓波動激烈，影響供電質(zhì)量。

供電系統(tǒng)中各種元件產(chǎn)生諧波時，可降低設(shè)備運行效率和電網(wǎng)輸電效率。同時，諧波的存在還可能對電氣設(shè)備穩(wěn)定工作造成影響，增加了設(shè)備電量損耗，發(fā)生振動，產(chǎn)生過電壓、噪音等，同時導(dǎo)致變壓器部分位置發(fā)熱。諧波還可導(dǎo)致供電系統(tǒng)串并聯(lián)諧振，放大諧波，引發(fā)嚴(yán)重諧振效應(yīng)造成安全事故。

此外，供電系統(tǒng)中產(chǎn)生無功功率會導(dǎo)致功率因數(shù)發(fā)生變化。系統(tǒng)中變壓器、發(fā)電機、導(dǎo)線以及電氣設(shè)備等電流增加，將造成線損增加[1]。

2 提高功率因數(shù)治理諧波的重要性

提升供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，可降低電網(wǎng)電源負(fù)荷和線路無功功率。系統(tǒng)中功率因數(shù)的大小，直接影響電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備、供電設(shè)備以及用電設(shè)備等的使用效率。提高功率因數(shù)能夠提高電路電壓，降低電壓損失，改善電能的傳輸質(zhì)量。提高功率因數(shù)還可減少電網(wǎng)中無功電流流動，進而降低線路、變壓器以及母線等產(chǎn)生的電能損耗，實現(xiàn)節(jié)能、降損等運行目標(biāo)。

在通信系統(tǒng)中，諧波對電網(wǎng)中各種電氣設(shè)備影響較大。當(dāng)線路中產(chǎn)生諧波時，設(shè)備過載量較大，發(fā)熱、加速老化，還能導(dǎo)致自動裝置發(fā)生誤動。因此，為改善通信質(zhì)量、保證通信的暢通性，應(yīng)加強對諧波的治理。綜上分析，為保證通信供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高通信質(zhì)量，保證電力傳輸通常性，需要提高功率因數(shù)，找出諧波治理措施，提高系統(tǒng)運行效率，降低損耗。

3 通信供電系統(tǒng)功率因數(shù)和諧波治理措施

3.1 提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)有效進行諧波治理的意義

有效提升供電系統(tǒng)功率因數(shù)能夠降低由線路輸送的無功功率和電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供的電能，降低電網(wǎng)中無功功率的流動，減少由于輸送無功功率造成的輸配電線路中母線和變壓器過量的電能損耗，有效改善電能質(zhì)量，從而達(dá)到節(jié)能降損的目的。

無論是電容器、變壓器還是電動機、發(fā)動機，諧波對所有能夠與電網(wǎng)連接的電氣設(shè)備都會產(chǎn)生危害，主要體現(xiàn)在會產(chǎn)生諧波附加損耗。諧波污染同樣會使得包括電纜等輸電線路出現(xiàn)過量損耗，同時諧波過電壓和設(shè)備過熱過載會使設(shè)備產(chǎn)生絕緣老化。因此，有必要進行諧波治理，以起到有效的節(jié)能作用。

3.2 提高自然功率因數(shù)

自然功率因數(shù)本身指的是用電設(shè)備自身所自帶的功率因數(shù)。該數(shù)值的高低水平同設(shè)備的負(fù)荷率有密切關(guān)系。為了能夠有效減少無功功率消耗，提升自然功率因數(shù)，可以采用以下兩方面措施。一是合理選擇電機大小，以免出現(xiàn)“大馬拉小車的現(xiàn)象”，并及時更換負(fù)載率小于40%的電機。二是正確選擇變壓器容量，以提升變壓器負(fù)荷率，并將其維持在75%～80%。該方法本身具有較強的經(jīng)濟性和有效性，但若是變壓器本身具有容量的季節(jié)性變化，將很難進行科學(xué)合理的變壓器容量選擇。以中央空調(diào)系統(tǒng)為例，它有著較大的單機容量，但空調(diào)本身是季節(jié)性使用的電氣，若僅使用一臺變壓器，那么若想使得空調(diào)在運行過程中不過載，便要盡可能大地選擇變壓器容量。若是空調(diào)處于停用狀態(tài)，那么變壓器會呈現(xiàn)出輕載狀態(tài)，降低功率因數(shù)。針對該現(xiàn)象難以通過單純采取提升自然功率因數(shù)的方法滿足功率因數(shù)要求，需進行無功功率補償以提升功率因數(shù)。

3.3 分析兩者的聯(lián)系

在諧波環(huán)境下使用電容無功補償，可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生過電流、串聯(lián)諧振以及并聯(lián)諧振等問題。為控制以上影響因素，可采用更換設(shè)備、優(yōu)化電網(wǎng)以及更改補償方式等治理措施。綜合考慮下，使用更改補償方式實踐過程的可行性較高。這種治理措施可在電容端串聯(lián)電抗器元件、單獨電容器以及電抗電容組合，有效提高供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，實現(xiàn)無功補償。但是，對比兩種方案，使用電抗電容補償可應(yīng)用于諧波環(huán)境，保護電容器，防止產(chǎn)生諧振問題。純電容器的應(yīng)用優(yōu)勢為結(jié)構(gòu)簡單，成本投入較小。實踐應(yīng)用環(huán)節(jié)，若從節(jié)約成本方面考慮，使用純電容器控制系統(tǒng)中的功率因數(shù)，需要先治理諧波。當(dāng)系統(tǒng)處于諧波環(huán)境下運行時，需要將電抗器和電容器串聯(lián)在電路中，從而保證系統(tǒng)運行過程的安全性。

3.4 使用補償電容器

控制通信供電系統(tǒng)功率因數(shù)，可使用無功補償電容器，將其并聯(lián)在電路中。供電系統(tǒng)中，異步電動機為主要負(fù)載，其中多數(shù)電氣設(shè)備電路可視為電感和電阻串聯(lián)電路。功率因數(shù)計算公式為：

電路中接入補償電容器后，電壓、電流相位差減小，此時供電電流相位大于電壓，這種現(xiàn)象為“過補償”。使用過程應(yīng)控制“過補償”出現(xiàn)的概率，以免變壓器端產(chǎn)生較高的二次電壓。同時，無功功率存在于電力線路會加劇電能消耗。測試線路電壓也會相應(yīng)升高，導(dǎo)致電容器溫度升高，功率損耗增加，影響使用壽命。

計算補償電容器容量時，需結(jié)合補償方式、負(fù)載情況以及連接方式等要求，使用集中補償、分組補償?shù)?。容量計算公式為?/p>

式中，P為系統(tǒng)最大有功負(fù)載，β為平均負(fù)載率，φ1為無功補償前功率因數(shù)角度，φ2為無功補償后功率因數(shù)角度。結(jié)合電容器容量需求，需合理選擇連接方法。

3.5 使用濾波器

濾波器是電抗器、電阻器以及電容器共同組合形成的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)連接在供電系統(tǒng)中，以滿足系統(tǒng)的濾波要求，同時符合系統(tǒng)對無功補償?shù)南嚓P(guān)要求。濾波器的使用主要是根據(jù)諧振原理。當(dāng)諧振次數(shù)為N時，計算公式為：

濾波器對諧波的阻抗計算為：

在諧振位置，有：

由于Rfm值較小，因此n次諧波的電流被Rfm分流，控制電網(wǎng)中的諧波電流流入。針對其他諧波產(chǎn)生過程Zfm＞Rfm，在濾波器中存在的分流較少，此時只需將諧振次數(shù)設(shè)置和諧波濾除次數(shù)一致，即可將此次諧波分流到濾波器，以消除諧波[2]。

4 案例介紹

4.1 案例背景

某通信站系統(tǒng)400 V低壓存在諧波電流，設(shè)置低壓電容補償設(shè)備過程沒有將諧波影響考慮其中，導(dǎo)致進線產(chǎn)生的諧波電流過大，電容器出現(xiàn)損壞問題。同時，電力諧波對交通通信、BAS系統(tǒng)、FAS系統(tǒng)以及AFC系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生干擾，為保證通信站供電系統(tǒng)安全，需要改造無功補償裝置。

4.2 系統(tǒng)改造方案

在通信站低壓變電站中，400 V母線位置分別設(shè)置無功補償裝置和濾波器，優(yōu)化無功補償和諧波治理方案。使用干式電容器、接觸器、電抗器以及補償控制器組成補償裝置，在系統(tǒng)中串接電抗器，并將調(diào)諧濾波器分段設(shè)置，同時使用空氣自動投切濾波器，達(dá)到無功補償標(biāo)準(zhǔn)。使用三相四線并聯(lián)濾波器，組成補償回路、電路跟蹤、電流計算以及電源系統(tǒng)。在無功補償、諧波治理等參數(shù)選擇方面，結(jié)合補償容量、（電容/電抗）器過載性能以及濾波器容量進行綜合計算。

4.3 實現(xiàn)過程

在400 V通信系統(tǒng)中設(shè)計了多段有源濾波器和調(diào)諧濾波器，以提升系統(tǒng)的無功補償功率因數(shù)，保證諧波治理效果。結(jié)合通信配電系統(tǒng)中諧波的分布特征，設(shè)計過程控制諧波諧振點，吸收諧波產(chǎn)生的非線性負(fù)荷電流，同時使用補償裝置阻抗?fàn)恳到y(tǒng)中存在的高諧波，防止系統(tǒng)中流入大量諧波電流。結(jié)合通信站變電站降壓負(fù)荷，設(shè)計無功補償容量。使用控制器實現(xiàn)系統(tǒng)電容器自動投切，通過微調(diào)功能完成無功補償，實現(xiàn)了系統(tǒng)運行時功率因數(shù)的穩(wěn)定性。在400 V母線系統(tǒng)中設(shè)置補償容量為180 kvar，并劃分成6個自動投切組，結(jié)合系統(tǒng)運行要求，使用微調(diào)方式進行無功補償。雖然此系統(tǒng)中安裝的無功補償裝置能夠控制濾波，但是無法達(dá)到治理要求。對此，在系統(tǒng)中并聯(lián)設(shè)置有源濾波器，吸收通信電力系統(tǒng)產(chǎn)生的各種諧波產(chǎn)生反向諧波分量，從而有效抵消諧波[3]。

5 結(jié) 論

在通信供電系統(tǒng)中，使用無功補償可控制系統(tǒng)的功率因數(shù)治理諧波，可提高通信傳輸質(zhì)量。在電力系統(tǒng)負(fù)荷逐漸增加的環(huán)境下，針對產(chǎn)生的諧波應(yīng)采取合理的治理措施。為避免系統(tǒng)運行過程產(chǎn)生諧振問題，需要將電抗器、電容器共同串聯(lián)在電路中，實現(xiàn)對無功功率的補償和諧波治理，降低系統(tǒng)能量消耗，提高通信電力系統(tǒng)的運行效率。