谐波对油田电网的影响

白文玉 齐绍新 才松林 于生（吉林油田分公司勘察设计院）

谐波对油田电网的影响

白文玉 齐绍新 才松林 于生（吉林油田分公司勘察设计院）

油田随着开发的持续进行，逐步在集输系统、注水系统、机械采油系统等大量采用变频调速装置，与传统的机械调速相比，变频器调速有诸多优点。但是由于变频器电路的开关特性，对供电电源形成了一个典型的非线性负载，其对电力系统供电电能质量有着重要的影响。以变频器为代表的电力电子装置成为油田电网最主要的谐波源，通过对其作用分析，阐明谐波的影响与危害。通过采用无源或有源滤波器、增加变压器容量等技术措施，实现了消除谐波、提高电能质量、提高电网安全性的目标，为油田电网的运行管理提供了技术支持。

油田电网 谐波 影响

1 谐波产生的过程

谐波产生的根本原因是非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次性。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已被消除，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更大。

吉林油田某采油厂在变压器谐波测试过程中的两组数据（表1、表2），足以说明变频器产生的谐波影响严重。超出标准值1.0%；5次谐波电压含有率为5.8%，超出标准值1.8%；5次谐波电流值为95 A，超出允许电流值33 A；7次谐波电流值为66 A，超出允许电流值22 A，都超过标准要求。其主要原因是来自于负荷端各种用电设备各次谐波电压含有率和各次谐波电流累加值所造成的。这样会造成一次供电端供电质量的下降，建议在变压器二次安装滤波器，抑制各种谐波对一次供电质量的影响。

表1 某台供电设备的谐波影响测试结果

根据GB/T 14549—1993电能质量公用电网谐波国家标准中，对谐波限值及谐波测量的具体要求，表2所示变压器各次电压畸变率符合国家标准；5次谐波电流值为44 A，超出允许电流值5.25 A，超过国家标准13.55%。

表2 变压器谐波影响测试结果

2 谐波对油田电网的危害

对于油田电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面。

2.1 附加损耗增加，降低设备的利用率

2.1.1 电力谐波对输电线路的影响

谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率在网络谐振点附近的谐振区内时，会对输电线路和电力电缆线路造成绝缘击穿。谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振会使之烧毁。谐波使电网电压正弦波发生畸变，电能质量下降。

2.1.2 电力谐波对变压器的影响

谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。变压器的非对称性负荷会大大增加励磁电流的谐波分量，产生过热温度，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏，并且产生磁滞伸缩和噪声。

2.1.3 电力谐波对电力电容器的影响

含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。

无功补偿装置发生了严重的谐波放大现象，经测试，其中16次与17次谐波电流已分别达到基波电流的115.2%与185.51%。自愈式并联电容器国标规定，包括谐波电流在内的允许过电流为1.3倍额定电流，因此，这时的谐波电流值是相当大的，影响非常大。严重的谐波过电流使电容器损耗功率增加，导致电容器异常发热。

2.1.4 电力谐波对电动机的影响

在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。对异步旋转电动机而言，定子中的正序和负序谐波电流分别形成正向和反向旋转磁场，使旋转电动机产生固定数的震动力矩和转速的周期变化，因此，谐波对电力用户电动机的影响最为明显。谐波能使电动机产生附加的损耗和转矩，从而使发热增加、电动机的效率下降，并减少电动机的绝缘寿命。谐波产生的脉冲转矩，会导致出现电动机转轴扭曲和机械振动问题，发出很大的噪声。产生的高次谐波，用电容器进行无功补偿时，有可能会产生谐波放大现象，应引起注意。

2.1.5 电力谐波对断路器的影响

谐波电流的发热作用大于有效值相等的工频电流，能降低热元件的发热动作电流。高次谐波含量较高的电流能使断路器的开断能力降低。

2.2 其他方面危害

1）影响继电保护和自动装置的工作可靠性。特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。

2）对通讯系统产生干扰。电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端情况下还会威胁通信设备和人员的安全。

3）对其他用电设备有危害。电力谐波会使生产中使用的计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，机内元件温度过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重时甚至损害机器。

4）谐波还影响电网的质量。谐波不但使电网的电压与电流波形发生畸变，而且同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。

此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示精度及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的一大公害。

3 油田电网谐波的治理

由于谐波存在的广泛性和频谱的多样性，谐波的管理面临极大的困难，可以说在供电系统中完全消除谐波是不可能的，但可以对一些危害比较大的谐波进行有效的处理。为减少供电系统的谐波问题，可以采取以下措施。

3.1 使用无源滤波器或有源滤波器[1]

运用由L、R、C元件构成的谐振回路，可阻止与谐振回路的谐振频率相同或相近的谐波进入电网。如在电力电子设备的交流侧安装无源滤波器；利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流趋向零，达到实时补偿谐波电流的目的；在谐波源处并联加装静止无功补偿装置，可以有效减少波动的谐波量，改善功率因数，稳定母线电压，降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力；将电容器组的某些支路改为滤波器或串联电抗器，也可以限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

3.2 增加变压器的容量

由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其他负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积、减少回路的阻抗方式来实现。

目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。

此外还有一些特定的方法，如增加换流装置的相数、脉宽调制法、三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线法等。

3.3 使用无谐波污染的绿色变频器

输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器能很好地抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响，实践表明，不带电抗器产生的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰，可在变频器的输出回路安装噪声滤波器，并且在变频器允许的情况下，降低变频器的载波频率。另外，在大功率变频器中，通常使用12脉冲或18脉冲整流，这样在电源中通过消除最低次谐波来减少谐波含量。

3.4 加强管理，减少谐波的危害

谐波是附着于基波的、以电流的形式在电网中传输，整个电网受其影响，因此可以采取一定的措施使谐波在一定的范围内流动而不影响电网的其他部分。各部门各负其责，尽量不把本部门管辖范围内的谐波传送到其他线路。通过一定的技术手段，加强监测，实时控制，并通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施，提高电网抗谐波的能力。

4 结束语

综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，抑制电网污染，提高电源质量。

谐波问题是复杂的，要解决供电系统中的谐波问题，必须要多方面共同努力，通过制定相关政策、健全相关制度和技术创新，一定可以把谐波控制在较微小的范围内，从而保证电网和电力设备的安全运行，杜绝谐波造成的电力安全事故，保证油田安全生产，实现节能降耗，提高经济效益。

1]任元会,卞铠生,姚家伟.工业与民用配电设计手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

10.3969/j.issn.2095-1493.2012.02.014

白文玉，1989年毕业于抚顺石油学院，高级工程师，从事节能监测工作，E-mail：jilinbwy@sohu.com，地址:吉林油田分公司勘察设计院，138000。

2011-12-15）