浅谈污水厂的谐波治理

梁伟文

摘要：谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波能影响电力检测仪器的测量准确性及对自控仪表系统有干扰作用。

关键词：谐波、电子仪表、变频器

Abstract: referring to the current harmonic contained in frequency for base wave integer times power, generally refers to a nonsinusiodal periodic power to Fourier decomposition, the rest is greater than base wave frequency current to produce power. Harmonic can affect the electrical testing instrument measurement accuracy and instrumentation system have interference.

Keywords: harmonic, electronic instrument, frequency converter

中图分类号：TN773 文献标识码：A 文章编号：

1前言

根据我院设计的某污水处理厂的业主反馈意见，在该污水厂试运营期间，污水厂中央控室内的控制系统显示的分析仪表与过程仪表（电子仪表）的数据波动很大，出现实测数据与理论数据相差较大等问题；就这些问题，业主组织设计院汇同设备供货商、设备安装单位等相关人员等到现场实地考察，共同探讨解决方案。

本人代表设计院出席会议，并到达污水处理厂实地考察，力求找出上述问题的根源及解决方案。在实际考察过程中，本人发现该工程的安装质量比较差，没有按相关的施工规范要求施工，如电缆沟里的动力电缆与弱电电缆（包括控制电缆、通讯电缆、光纤等）混合一起放置；电气设备安装也存在着偷工减料的现象，如当我们一走进低压配电房，就听到“嗡嗡嗡”很刺耳的噪声，这应该是变频器没有安装出线电抗器所引起的；经过一系列的考察，本人初步认定，电子仪表的数据混乱是由于谐波引起的。

2什么是谐波

从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。即：根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。 其展开式中，常数表达的部分称之为直流分量，最小正周期等于原函数的周期的部分称之为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称之为高次谐波。因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推，谐波示意图如下图所示。

谐波示意图

而从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。产生的原因：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。

对于本污水厂，主要非线性负载就是变频器。

3谐波的产生

在电力系统中，谐波的产生主要来自于3个方面：

3.1发电源质量不高产生谐波：

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

3.2输配电系统产生谐波：

输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

3.3用电设备产生的谐波：

晶闸管整流设备。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

在污水处理厂设备中，主要的晶闸管整流设备就是变频装置。变频装置常用于风机与水泵等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

除了变频装置，气体放电类电光源也是谐波源之一。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

4諧波的影响

4.1对供配电线路的影响主要有：

4.1.1导致继电设备的误动作或拒动。

4.1.2加在中性线电统，降低电网电压

4.2谐波对电力设备的影响主要有：

4.2.1在电压发生畸变的配电网络中，电容器有可能产生谐波谐振和谐波放大；加速电容器的老化；导致电容器鼓肚、击穿或爆炸等现象的发生。

4.2.2变压器的铜耗、铁耗及其它的杂散损耗增加，降低变压器的使用寿命。

4.3谐波对用电设备的影响主要有：

4.3.1降低电动机的效率，增加附加损耗，严重时发生过热及振动等现象。

4.3.2影响电力检测仪器的测量准确性。

4.3.3对于低压开关设备来，可以产生开关设备的误动作。

4.3.4对弱电系统的干扰。

电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常须靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个相间电压高于另一个相间电压的位置点。这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。控制系统对这两点(电压过零点与电压位置点)的判断错误可导致控制系统失控。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。

计算机和一些其它电子设备，如可编过程控制器(PLC)，各种分析仪表等，通常要求总谐波电压畸变率(THD)小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的生产责任事故。

5谐波的治理措施

综上所述，在本污水处理厂中造成电子仪表数据混乱的根源就是谐波，通过分析可知，在污水处理厂内虽然有使用气体放电类电光源的灯（如道路照明用的高压钠灯等），但使用量不大，所以产生谐波的主要源头集中在变频器中，在污水厂，提升泵，氧化沟，鼓风机，回流污泥泵均要求是变频控制，而这几种设备功率占到污水厂使用设备总功率的二分之一左右，所以治理好变频器的谐波影响就是这一次任务的根源所在。

谐波的治理措施，主要原理是抑制供电系统干扰和辐射干扰，可采取滤波、屏蔽、隔离、接地等技术手段，针对本污水的情况，本人提出以下几点措施：

5.1对电子仪表做好抗干扰的措施。

复核各电子仪表的通讯电缆是否采用带屏蔽的控制电缆，如果是普通的控制电缆，须更换。（本院设计时要求采用带屏蔽的控制电缆，屏蔽电缆是防止通讯信号受到谐波干扰的常用手段。）

5.2低压电源无功补偿电容柜中增加无源谐波滤波器。

无源滤波器采用LC回路，是传统的无源谐波抑制装置，它是滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，并联于系统中，除了具有滤波作用之外，还有无功补偿的作用。LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的，此滤波器具有装置简单，成本低等优点。

5.3变电所内，所有的变频器均要求根据容量增加相关的进线电抗器与出线电抗器。进线电抗器又称电源协调电抗器，它既能阻止来自电网的干扰，又能减少整流单元产生的谐波电流对电网的污染，特别是当电源容量很大时，更要防止各种过电压引起的电流冲击，因为它们对变频器内整流二极管和滤波电容器都是有害的。因此接入进线电抗器，对改善变频器的运行状况是有好处的。输出电抗器是接在变频器输出端与负载（电机）之间，能起到抑制变频器噪声的作用。

5.4要求对电缆的敷设进行整改，按照施工规范，电力电缆是不能与弱电电缆（包括控制电缆，通讯电缆等）混合放置，在电缆沟内，须分层放置；在金属桥架里敷设，需在桥架内增加金属隔板，电力电缆与弱电电缆分开放置，并按规范做好接地措施。

5.5变频器使用专用接地线，且用粗短线接地，邻近其他电器设备的地线必须与变频器配线分开使用短线，这样能有效地抑制电流谐波对邻近设备的辐射干扰。

5.6如果上述措施效果不明显，可以考虑把变频器与电动机之间的电缆改为穿钢管敷设或直接换成铠装电缆，防止辐射干扰其他设备。

6结语

污水处理厂的业主根据上述的措施，要求相关单位进行整改，取得了良好的效果，电子仪表数据混亂的问题得而解决。

通过上述案例，可以清楚地了解到谐波产生的原因，治理原理主要是抑制供电系统干扰和辐射干扰，具体治理措施是采取滤波、屏蔽、隔离、接地等技术手段，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，从而不影响到厂区内其它电子设备的正常工作，使得整个污水厂的运营和谐有序，节能环保，科学高效。

参考文献

1、《电力系统与谐波》 （美）德拉罗萨 著，赵琰，孙秋野 译，机械工业出版社，2009。

2、《谐波治理与无功补偿技术问答》 张选正 等著，化学工业出版社，2009

3、《电网谐波治理和无功补偿技术装备》 罗安 著，中国电力出版社，2006

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。