水廠泵房高次諧波的危害及預防措施

齊亞楠 ，李志庚 ，劉桐瑋

(1. 天津泰達水業有限公司 天津300457；2. 天津泰達津聯自來水有限公司 天津300457)

1 高次諧波產生的原因

高次諧波是指對周期性非正弦交流電流或電壓進行傅里葉級數分解所得到的大于基波頻率整數倍的各次諧波，基波頻率與工頻頻率相同即 50Hz[1]。高次諧波根據其產生原因主要有以下3類：

①供電系統中電廠在發電，過程中產生的高次諧波。主要原因是發電機三相繞組很難做到絕對對稱，定子鐵芯也很難做到均勻一致，易產生三相不平衡的三相電，此外發電系統的不穩定及其他原因，都會產生高次諧波。

②輸配送電網中產生的諧波。在輸配送電的過程中需要大量的變壓器，變壓器在正常運轉時是不易產生高次諧波的，但達到滿負荷或超載運行時，變壓器的磁通量就會達到飽和而產生高次諧波。還有輸配送電網中投入空載變壓器或電網合閘時都會產生涌流，涌流進入電網，也會產生突發性的高次諧波。電網中還會有數個頻率不同的正弦波電流，電流疊加，也會形成電網中的高次諧波。

③以電子元件為基礎的電源設備或電路板，如整流器、逆變器、變頻器、UPS等，都易產生高次諧波。因其都具有整流逆變的特性，都為非線性設備，構成了主要的高次諧波源。變頻器產生的高次諧波主要為 3、5、7次諧波，通過傳導、電磁輻射和感應耦合3種方式干擾周圍的設備。

2 高次諧波對用電設備的危害

在平衡的三相電系統中，由于對稱的關系，偶數次諧波基本已經被消除，只剩下奇數次諧波存在。

①高次諧波會增加定子繞組、轉子、鐵芯中產生的銅耗和其他附加損耗，導致電機效率降低，電機的局部過熱，振動和噪音增大，過熱會加速電機絕緣層的老化，降低設備的使用壽命，產生的高次諧波也會不斷沖擊電機軸承，影響軸承的使用壽命。

②對保護性電器，如熔斷器、熱繼電器、低壓斷路器等，電網中的高次諧波電流會使這些保護性電器產生額外的力矩，改變保護電器的固有動作特性，引起保護電器的誤動作，產生過高的高次諧波電壓有可能燒毀保護電器的線圈，電壓升高也會導致電力線纜的絕緣應力升高，電纜溫度升高，最終有可能擊穿電纜絕緣[2]。

③電力電子設備利用電流4～20mA或電壓0～10V的模擬量來控制，諧波會干擾其準確性，易使設備發生誤動作。

④壓力變送器、流量計、液位計等計量性儀表因為高次諧波會產生額外轉距，引起動作誤差，降低計量的精準度，甚至可能因為力矩過大、電壓突然升高而燒毀計量性儀表線圈或電路板。

⑤諧波會增加變壓器中的銅耗、鐵耗或者其他損耗，使得變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，容量降低。諧波還能產生共振及噪聲變大等問題[3]。

⑥電力電容設備常作為電網中無功補償設備，用于提高功率因數。當高次諧波電壓疊加在基波電壓上，電壓值實際值大于其有效值，會使電容器因過負荷而發熱，可能發生局部放電而損壞。當諧波電流和電容器發生諧振時，高次諧波電流會不斷放大，電容器成倍的過負荷，使得電容器損壞。

3 水廠泵房高次諧波的預防措施

現代水廠的泵房大多采用變頻器控制。水泵采用變頻器調速后節能效果明顯，安全有效地保護水泵在自動化系統中，輸出頻率精準，調節方便。但變頻器是非線性的，它的主電路輸入和輸出端都會產生高次諧波。我廠采用的是丹佛斯 VLT AQUA Drive FC202系列變頻器，專用于供水和污水處理，但是通過平時生產運行、設備點檢時發現電機過熱，噪聲過大，水泵保養時軸承有小坑和發黑現象。通過分析原因，查找問題，聯系水泵和變頻器廠家，發現是變頻器偶爾產生的高次諧波引起，高次諧波對泵軸承產生了沖擊，減少了軸承的使用壽命，因此對于變頻器產生的高次諧波必須采取適當措施。

3.1 優化變頻器運行條件

①將變頻器獨立供電，并在變頻器的輸入端安裝隔離變壓器，若情況允許最好將變頻器獨立安裝在一個配電柜中，減少電源之間的相互干擾。

②將變頻器和其他設備接地分開，獨立接地。將變頻器的輸出電纜盡量遠離控制電纜，輸出電纜與控制電纜應分開穿鋼管，并將鋼管可靠接地，盡量減小變頻器電纜對控制系統的干擾。

③在變頻器輸出側安裝直流電抗器，它能夠提供無功補償，有效抑制整流后電流的幅值，提高輸入側的功率因數，提高水泵效率，減少對電網的污染。

④在變頻器輸出端加LC正弦濾波器，并盡量靠近變頻器安裝，縮短線纜長度。LC正弦波濾波器用于改善變頻器輸出端電壓波形，使PWM波形轉換為正弦波或近似于正弦波，降低電壓的變化率。

⑤在變頻器的輸入側加裝交流電抗器，它能有效地抑制電網中的高次諧波電流，提高功率因數，還能削弱電網中的浪涌，減少浪涌電流對變頻器的沖擊，削弱三相電壓不平衡造成的影響，從而有效保護變頻器。

3.2 采用合適的控制策略和運行方式

①水廠中基本都采用異步電動機，當電源頻率較低時，電源中高次諧波會引起電機的銅耗、鐵耗和其他損耗增加，電機容易發熱。異步電動機轉速降低時，冷卻風量與轉速的三次方成比例減小，致使電機的低速冷卻狀況變差，溫升急劇增加，電機難以實現恒定轉矩輸出[4]。所以在生產時盡量保持滿頻率運行，避免來回切換水泵，盡量減少變頻器頻率的來回跳躍。滿頻率運行，產生的高次諧波最少，電機效率最高，散熱效果最佳。

②優化變頻器的控制方式，現代水廠一般以恒壓控制調節變頻器，進而調節水泵，如出廠水水泵有時流量不穩，忽高忽低，壓力也不能穩定，變頻器為了保證壓力恒定，不斷調節易產生高次諧波。對此可以優化PID控制，延長壓力整定的時間。

通過分析高次諧波產生的原因及其危害，總結變頻器產生高次諧波的預防與治理方法。通過降低高次諧波，能有效保護設備，延長設備的使用壽命，還能提高功率因數，節約了工業用電，達到節約成本的目的。