浅析电网谐波对天然气站场设备的危害及抑制技术

吕传品

【摘要】随着科技进步和技术创新，天然气工艺流程中的电子设备集成度也逐步变高，相应的对电网质量的要求也变得更高，电动执行机构、站控机、PLC控制系统、电驱压缩机等精密生产设备很容易受外界电磁场干扰影响，导致控制单元损坏或失灵，致使设备无法正常运行，为企业带来巨大经济损失。

【关键词】电网谐波 危害 抑制技术

随着科技进步和技术创新，天然气工艺流程中的电子设备集成度也逐步变高，相应的对电网质量的要求也变得更高，电动执行机构、站控机、PLC控制系统、电驱压缩机等精密生产设备很容易受外界电磁场干扰影响，导致控制单元损坏或失灵，致使设备无法正常运行，为企业带来巨大经济损失。例如，2007年西气东输枣庄分输站输气工艺流程中的电动执行机构频繁出现报警，导致阀门误动作或不动作，经现场测试，其结果表明就是电网中谐波频次高所致

1 影响天然气站场设备的电网谐波的产生

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。

电源本身谐波的产生一部分是由于设备制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。

谐波的产生很大一部分是由于非线性负载设备所致。当电流流经负载时，与所加电压不呈线性关系；就形成了非正弦电流，即产生了谐波。 在非线性负载中，下面的一些设备都能产生谐波

1.1 变频装置

变频器是天然气增压站场中电驱压缩机运行的主要设备，主要负责电驱压缩机组电机转速的调控和电机的启停。变频器在运行过程中，使用电子器件的关断对输入电源进行整流和逆变，整流和逆变的过程中，会在输入输出回路产生变频器高次谐波，对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰。

1.2 电弧炉

电弧炉在工作过程中会产生高次谐波，工作过程分为熔化期、氧化期、还原期三个阶段，而电弧炉的工作过程就是电弧频繁的拉断和提升，导致各相电流的不平衡、电压畸变，产生2—7次谐波，对容量小的电网和周围的用电设备会产生严重的干扰。如枣庄输气站工艺控制设备正是附近一家冶炼铁厂生产所致谐波污染电网。

1.3 开关电源

开关电源产生的谐波主要有两个方面：一是开关电源中普遍采用的电容滤波型桥式整流电路造成的输入电流波形畸变；二是电源电路中的开关器件及感性负载工作于15kHz以上的高频开关状态而产生的尖峰脉冲。

1.4 变压器

变压器产生谐波一方面是与变压器的设计有关，另一方面是变压器运行时，铁芯磁通发生变化，达到饱和后，流过铁芯绕组回路的励磁电流发生畸变而产生谐波，所产生的谐波成份以3次谐波为主。

2 谐波对天然气站场设备的危害

2.1 增加了设备功率损耗、电能损耗，降低设备使用寿命

谐波电流流过线路或设备时，会使供电线路或设备有效电阻增加，导致供电线路或设备发热，降低设备的使用寿命，增加了设备的功率损耗、电能损耗。

2.2 谐波会影响站场中电动执行机构、循环泵、电驱压缩机中电机的利用率和效率

国际上建议在持续工作的条件下的电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。如果在额定出力下，电动机所承受的负序电压为3%的额定电压时，将使电动机的绝缘寿命降低50%。谐波所产生脉冲转矩，还可能使电机转轴发生扭曲振动。并使叶片产生疲劳循环，影响天然气压缩机组或其他旋转设备的正常工作。

2.3 影响或干扰天然气站场测量仪表精度、SCADA控制系统及通讯系统工作

电网中流过设备的3、5、7、11奇次低频谐波电流，通过磁场耦合产生干扰电压，导致二次测量仪表，如压力变送器、流量计算机计量数值精准度，使PLC可编程控制器及智能控制器误动作或不动作，降低通讯设备工作质量，对通讯系统产生严重影响。

2.4 影响继电保护和自动装置误动作

由于保护装置的整定值一般比较小、灵敏度高，电网中的谐波会使电压、电流发生畸变，使电压、电流突然的升高或降低，导致压气站中变电站的主变复合电压启动过电流保护装置误动作，以及站场中各种型号的继电保护装置、高频保护、自动保护装置等发生误动作。

2.5 谐波会使设备内部元件出现过热

谐波会使设备内部元件出现过热，使数据处理及控制系统出现错误，导致设备误动作或不动作。

3 谐波抑制措施

3.1 合理设计、规划设备用电

通常，测量、控制装置启动时电压比较平稳，而动力装置的启动时电压波动大，如果不进行合理规划设计，就会影响干扰测量、控制装置。因此在设计、规划设备用电时，应对干扰大的动力装置与测控装置相互隔离，或采取不同相线供电的方法，可以使通过电源线的干扰大大降低。

3.2 加装滤波装置

滤波装置分为有源滤波和无源滤波两种。无源滤波就是采用由电容、电抗和电阻组成的无源元件滤波装置来减轻谐波对电气设备的危害，防止谐波电流的窜入，来减少谐波对站场设备的影响，。另一种方法是加装有源滤波装置设备，使用现代电力电子技术实时监测线路中谐波，然后经电流运算生成与谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流消除产生谐波。

总之，防治电源谐波，一方面要提高设备的制造工艺，从源头上限制谐波的产生。另一方面还要设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力，改善谐波保护性能，只有这样才能保证天然气站场的正常生产。

参考文献

[1] 郎维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策.高电压技术，2002，6

[2] 孙书敏.治理谐波危害、抑制电网污染、提高电源质量.2002年（江苏）工程电气设计学术论文集