油田电网中谐波的危害与电能质量测试

刘磊 李波 周胜利 梁策 (中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心)

油田电网中谐波的危害与电能质量测试

刘磊 李波 周胜利 梁策 (中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心)

油田电网中谐波的存在具有多方面危害：导致电动机温度升高和损耗增加；降低无功补偿电容器的使用寿命；增大变压器的损耗；影响电子式计量仪的准确性。测试机构按照电压等级采用直接和间接两种测试方法对电网中的谐波进行测量。

油田电网 谐波危害 电能质量测试

由于油田企业对油田开采节能方面的重视和电力电子技术的发展，在油田设备中应用了大量具有非线性特性的节能装置，包括各个转油站和注水站应用的变频器，抽油机电动机使用的变频器、可控硅调压装置、控制器等。这些非线性装置可能对电网中的供电设备造成危害。

1 谐波的危害

电力电子器件的非线性负载的使用会引起油田电网中电流和电压波形畸变，即产生谐波（图1），从图1可以看出，正常为正弦波的电压在峰值部分变得比较尖，电流波形则为典型的使用变频器产生的电流。

图1 含有谐波的电压和电流波形图

电压的畸变可能对油田电网中的供用电设备造成危害。

1.1 对电动机的影响

正常情况下电网电压波形和电动机电流波形都应该是正弦波，而由于电网谐波的存在，会使电动机转矩产生脉动，因此导致电动机的起动变慢和运行性能不稳定，产生振动，导致电动机的温度升高和损耗增加，甚至造成设备损坏。

1.2 对无功补偿电容器的影响

由于企业对节能的重视，很多站或者单井都安装有无功补偿电容器，用来提高机井功率因数，减小损耗。当谐波频率与系统中的谐振频率耦合时，会造成电容器过电压或过电流，使电容器绝缘老化，影响使用寿命，甚至直接烧毁电容器。

为了提高功率因数，往往需要在功率因数较低的线路并联电容器，模型简图见图2。

图2 并联谐振电路图

输出端口导纳：

式中 ω——角频率；

R——电阻；

C——电容；

L——电感；

G——等效电导。

等效导纳为：

当 B(ω)=0时发生谐振，也就是

当电源中含有高次谐波，而且某次谐波刚好与谐振频率相等时(ω=ω0时)，电路就会发生谐振。发生谐振时各处电流为：

由公式可知，当谐振频率较高时发生谐振，电容器会负担较大的电流，一旦超过电容器的额定电流则会造成电容器的烧毁或者减少电容器的使用寿命。

1.3 对变压器的影响

谐波电流流经变压器绕组会增大损耗，使绕组发热，加速绝缘老化，并产生噪声。

1.4 对计量的影响

谐波的存在会对电子仪器产生干扰，因此影响电子式计量仪的正常工作，如电磁流量计等。传统有功表不能用来计量谐波含量较高的用电设备，因为它们计量的电能偏低。在计量仪表选型时应该考虑工业现场谐波对仪表的影响，以保证计量的准确性。

2 谐波测试

油田电网中谐波的测试变得越来越多，也越来越重要。然而其测试的复杂程度也较高，下面就测试中需要注意的问题予以说明。

2.1 测试对象分类及测试方法

首先按照电压等级的不同分为低压测试（380 V等级）和高压测试（大于1 000 V等级），并分别采用直接测试和间接测试方法。

高压测试采用间接测量，也就是测量电压及电流互感器的二次侧。根据GB/T 14549—1993《电能质量公用电网谐波》附录D的要求：电容式电压互感器不能用于谐波测量。在谐波电压测量中，对谐波次数或测量精度有较高要求时，应采用电阻分压器（UN＜1 kV）或电容式分压器（UN≥1 kV），因此对于6 kV或10 kV等级的电网测试要先考察电压互感器的类型。

由于电流互感器二次侧输出电流往往很小，因此需要确定电流范围，仪器需要选择适合量程的电流互感器，以免影响测量精度。

低压测试也需要选择合适的测点：可以选择测输油（注水）站公共连接点（变压器母排）的谐波含量，也可以对谐波源（设备）进行测试。

2.2 选择测点

公共连接点谐波测点和谐波源谐波测点见图3、图4。

图3 公共连接点谐波测点图

测点的选择还应该便于安装测试线并且保证安全。谐波测试时必须选用有零线的线制，测试时必须区分地线和零线，否则会造成错误。

图4 谐波源谐波测点图

此外需要选用准确度等级高且易用性好的仪器，并且需要对测试人员进行培训，以保证测试的准确度。

[1]GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波[S].北京:中国标准出版社，1994.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.016

2010-11-28）

刘磊，毕业于燕山大学，助理工程师，从事节能监测与评价工作，E-mail：daqingliulei@yahoo.cn，中国石油天然气集团公司节能技术监测评价中心，地址：大庆市让胡路区西宾路552号，163453。