泵站系統諧波分析與應對

馮海鋒（廣東省佛山市高明區滄江泵站管理處，廣東佛山，528500）

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泵站系統諧波分析與應對

馮海鋒
（廣東省佛山市高明區滄江泵站管理處，廣東佛山，528500）

摘要：現代電子技術的應用在泵站的控制管理方面提供了更加精細化的選擇，但由此亦在泵站的電氣系統中產生了諧波的污染。作為泵站的技術管理人員，需要對泵站電氣系統內產生的諧波的成因、危害有所了解、警覺，并進行測量分析，為最終解決泵站內諧波的污染提出方向性、切實可行的應對措施，提高泵站內電網的電能質量，確保設備安全運行。

關鍵詞：泵站；諧波；晶閘管；諧波檢測；諧波治理；濾波器

0 引言

諧波，是指一個周期電氣量中頻率為大于1整數倍基波（我們國家為50HZ）頻率的正弦波分量。諧波對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的通信系統和公用電網以外的設備帶來危害。筆者作為泵站技術管理者，在實際工作中對因諧波造成的對泵站內線路和設備的影響深有感觸，并且這種影響是逐漸積累其效應的慢過程，一般在一定時期后才暴露，造成很多問題不能及時發現，最后造成更大的損失。本文將以泵站電氣系統產生諧波為研究對象，對諧波產生的原因、諧波的危害、實際影響進行分析，并根據實際情況，為治理諧波進行有益的探討。

圖一 三相全控格式整流電路

1 泵站諧波產生的原因

以廣東省佛山市高明區滄江泵站為例，該站裝備四臺上海電機廠電壓為10KV，功率1250KW高壓同步電動機，配套四套北京前鋒科技有限公司WKLF-102大型DSP勵磁系統，額定勵磁電流244A，勵磁電壓119V，勵磁系統采用三相全控橋式整流電路（如圖一）。

圖二 晶閘管伏安特性圖

1.1 三相全控橋式整流電路配備6只型號KP500/2200V的晶閘管，由圖二晶閘管的伏安特性曲線圖可以知道，三相全控橋式整流裝置是一種典型的非線性負載。相對于理想的線性負載，由I=U/R可知，流過負載的電流與加在負載兩端的電壓呈現線性關系。而流過非線性負載的電流與電壓呈現非線性的關系，形成非正弦波，產生諧波。這是泵站諧波產生的最主要原因

1.2 勵磁變壓器作為勵磁系統的重要配套設備，對泵站系統來講，其主要作用有兩個：一是整流系統提供合適的工作電壓并傳遞勵磁功率；二是在同步電動機的轉子側與勵磁電源間實現電氣上的隔離。由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上變壓器設計時出于經濟性的考慮，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電源呈尖頂波形，含有奇次諧波。這是泵站諧波產生的次要原因。

1.3 站內其他設備，如各類電子設備，開關電源，充電裝置等，也會產生諧波。

2 電網諧波標準與對泵站的實際影響

由于諧波對電網電能的質量造成嚴重的負面影響，我國有關部門高度重視，國家技術監督局于1993年發布《電能質量—公用電網諧波》的國家標準GB/14549—1993，對我國公用電網各級電壓的諧波畸變量作了規定（表一），

表一：國標公共電網諧波電壓規定

由表一可見，滄江泵站勵磁系統輸入電壓為0.38KV，國標容許的電壓總諧波畸變率為5%，由圖三可見，在泵站勵磁系統沒有啟動前，電網諧波畸變率為3.1%符合國標規定，但在勵磁系統投入運行后，電網的諧波畸變率上升為22.4%（圖四），嚴重超過了國家標準。

高畸變諧波分量造成供配電線路、用電設備發熱；使電氣設備，電動機產生機械振蕩；干擾無線電設備的正常運行；觸發繼電保護和自動裝置誤動作等明顯的危害。在泵站系統中，諧波的主要影響是會便電動機和變壓器引起附加損耗和過熱，其次是產生機械振動，噪聲和諧波過電壓。在滄江泵站系統中，諧波帶來的一個最明顯影響是泵站自動化系統直流充電屏中一個用來分隔電網與屏內設備的電抗器發出明顯的高分貝嘯叫聲，十分刺耳。

而對于像滄江泵站采用同步電動機的系統，定子繞組流過諧波電流后將產生與諧波頻率相對應的旋轉磁場，在轉子繞組中感應出諧波電流，由于諧波的頻率高，集膚效應顯著，因此諧波電流只在轉子各部件的表層流動，尤其是轉子中的阻尼繞組、槽楔、齒和套箍最容易受到諧波電流的損害。

3 諧波治理的分析

由實際測量可見，滄江泵站勵磁系統正常工作時，產生的諧波影響已經大大超過了國標的規定，出現了電抗器嘯叫等明顯不正常現象，需要對諧波進行治理。諧波的治理通常有兩種方法：一是從諧波產生的源頭著手，采取措施與方法盡量減少諧波的發生；二是加裝濾波器過慮諧波。

3.1 諧波源治理措施

對像滄江泵站這樣的用戶，勵磁設備采用晶閘管三相全控橋式整流裝置產生諧波的情況，由于晶閘管整流裝置即使在最理想的狀態（三相交流系統全對稱，直流換流電抗為零）下運行， 整流變壓器的二次繞組也會流過方波電流，與之相對應的一次繞組就會流過梯形電流，其電流的形式就會發生畸變，況且三相交流系統很難做到完全對稱，因此造成諧波的成分會更加復雜，電壓和電流波形發生畸變的情形會更加嚴重，所以諧波的產生是必然的，嚴格來講沒辦法從根本上消除。

3.2 減少諧波影響的措施

對于像滄江泵站一樣，受諧波影響比較嚴重，但從源頭上消除甚至減少諧波的產生都比較困難的情況下，要想比較好地解決諧波的影響，最現實的方法是加裝濾波器，但根據諧波測量的結果，站內諧波的成份比較復雜，加裝無源濾波器成本低，但由于隨著勵磁機組投入數量不同諧波成分隨著變化，濾波效果特別是穩定性比較差強人意；加裝有源濾波器效果好，但投入較大，設備布置需要重新考慮，對一般泵站管理單位需要進行設計變更，審批的程序需時較長。

4 結語

對于應用晶閘管整流勵磁系統的現代化泵站，諧波的產生從現實角度考慮基本上是不可避免的，需要在泵站的設計階段就考慮諧波的影響，除了要求相關設備供貨商在設計生產時要盡量采取措施減少諧波；在設備的線路布置上，如使用多個變壓器分別向不同設備供電的，盡量考慮將勵磁整流設備與其他容易受諧波影響大的其他設備如計算機，自動化設備等分配到不同的供電母線上，利用變壓器的?接法減少3倍次諧波的影響；有條件的話，應該要考慮配置濾波器，特別是有源濾波器，確保用電設備不受諧波影響，并能提高功率因素。

參考文獻

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［2］中華人民共和國國家技術監督局發布，中華人民共和國國家標準GB/14549—1993，《電能質量—公用電網諧波》

［3］郭宏波，譚俊源，諧波對變壓器的影響及其抑制分析，電力建設，2008.11

［4］Fluke 43B，電源質量分析儀用戶手冊

［5］WKLF101/102型微機控制同步電動機勵磁裝置用戶手冊，北京前鋒科技有限公司 2007.9

Pumping System Harmonic Analysis and Response

Feng Haifeng
（Foshan City， Guangdong Province Gaoming Cangjiang Pumping Station Management Office，Guangdong Foshan，528500）

Abstract：The application of modern electronic technology to provide a more refined choice in terms of control and management of pumping stations， but also generate pollution resulting harmonic pumping station electrical systems.As technical manager of the pumping station，the need for the causes generated within the pump station electrical system harmonics harm understand，alert，and measurement and analysis，proposed a final settlement within a directional pumping harmonic pollution，practical measures to improve the pumping station within the grid power quality，to ensure the safe operation of equipment.

Keywords：pumping station； harmonics；thyristor；harmonic detection；harmonic governance；filter