天然气管线压气站变频器谐波的影响和治理

林森　彭晶　张正阳　苏展

摘要：在天然气管线的压气站建设中，大功率变频器作为驱动压缩机用电机的调速装置，是天然气管线中应用较为广泛的设备。由于大功率变频器相对来说容量较大，占压气站内变压器容量的比例较为显著，对压气站的谐波污染问题已不容忽视。文章分析了天然气管线压气站变频器谐波产生的原因及其危害，通过对如何抑制谐波污染问题进行探讨，在实际工程中得出有效的抑制方法。

关键词：天然气管线；压气站；变频器；谐波治理；谐波污染

中图分类号：TE978 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）34-0115-02

随着国内的经济发展，对天然气的需求逐年增加，天然气管线建设高速发展，在天然气管线的压气站建设中，大功率变频器作为驱动压缩机用电机的调速装置，是天然气管线中应用较为广泛的设备。由于大功率变频器相对来说容量较大，占压气站内变压器容量的比例较为显著，对压气站的谐波污染问题已不容忽视。

天然气管线压气站驱动压缩机的变频器一般功率在10～18MW之间，近年来，采用变频器进行压缩机调速的压气站逐渐增多，以变频器为代表的电力电子装置已经成为压气站电气系统中最主要的谐波源之一。由于变频器由大功率电力电子元器件组成，在运行过程中会产生高次谐波电流，从而对压气站的供电系统产生干扰。随着变频器技术和抑制变频器谐波技术的发展，已经有多种抑制压气站内谐波的成熟方案可供选择，但针对不同工程，仍有必要根据实际工况对变频器谐波的影响和治理进行更深入的研究。

1 谐波的影响

天然气管线压气站内电气设备较多，作为天然气输送的关键站场，一旦发生故障，将影响整个下游的天然气输送，而谐波污染作为影响压气站的外电电源及邻近用电设备的正常运行的因素之一，在压气站建设中必须得到足够的重视。

1.1 谐波对电网的影响

压气站内由于设置有大功率变频器，需要从公共电网侧取得电源来保证设备用电，虽然谐波电流与基波电流相比不大，但导线的集肤效应使谐波引起的附加线路损耗增大。对于采用电缆的输电线路，谐波会加速电缆绝缘的老化，缩短了电缆的使用寿命。对于架空线而言，电晕的产生和电压峰值有关，由于谐波的存在，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕损耗。谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使供电质量下降，严重时会导致导线过载过热、绝缘损害，甚至引起火灾。一旦发生事故，不仅会影响压气站的正常运行，还可能会对上级变电所的运行产生不利影响。

1.2 谐波对电动机的影响

压气站内变频器通过同步电机对压缩机进行调速，随着频率的增加，电动机的铁芯和绕组中产生的附加损耗将随之增加。同时，谐波电流的通过将引起电动机的机械振动。由于谐波造成变频器的输出波形失真，影响电动机的绝缘。压气站内采用的电动机放在压缩机厂房内，为防爆电动机，电动机的绝缘一旦发生损害，存在巨大的事故风险。

1.3 谐波对变压器的影响

谐波电流流入变压器时，将会在变压器内部产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏，并造成容量裕度减少，谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和某些紧固件的发热，并有可能引起变压器局部温度上升。压气站一般在人烟稀少地区，一旦变压器发生故障，其维修时间过长，将影响压气站的运行，并对上下游供气均产生不利影响。

1.4 谐波对继电保护和电力测量的影响

压气站内设置有变电站综合自动化系统，对整个压气站内的电气设备进行保护、数据采集、监控，谐波会改变保护继电器的性能，对某些类型的继电保护，如晶体管整流型距离保护、变压器及母线复合电压保护等，将受谐波的影响较大。

压气站内使用电气系统常用电流表、电压表、功率表等电子仪表对电气设备进行监视、计量。变频器谐波产生的电磁干扰对这些仪表的运行将产生不同程度的影响，降低其计量精度，谐波电流过大时可能烧毁仪表线圈。

1.5 谐波对电力电容器组的影响

并联电容器的容性阻抗特性以及阻抗和频率成反比的特性，使得电容器容易吸收谐波电流而引起过载发热，谐波电压与基波电压峰值发生叠加，使得电容器介质更容易发生局部放电；当谐波产生时，电容器流入大量的电流，增加了局部放电的功率，而绝缘寿命与局部

放电功率成反比，谐波过大时，甚至会损坏电力电容器。

1.6 谐波对通讯系统、电子设备的影响

压气站内通讯系统负责和公网调度、网络系统之间的联系，站内电子设备较多，变频器产生的电磁干扰会使相位控制设备的控制信号及幅度发生畸变，导致电子计算机出现图形畸变、亮度波动和元器件发热问题、电子设备误触发、电子元件无法进行测试等，严重影响其正常工作。谐波产生的谐振可造成镇流器或电容器的过热损坏。同时谐波干扰会引起通讯线路、信息线路出现噪声，降低通话的清晰度，严重时还会造成信号的丢失。

2 谐波的治理

压气站内解决变频器谐波一般采用两种方法：一种方法是配置谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一种方法是采用本身产生谐波很小的变频器，同时使其功率因数可控制为1。这两种方法在天然气压气站的电气系统设计中需要根据项目的需求进行综合考虑。

2.1 装设LC调谐滤波器

传统抑制谐波的方法是采用LC无源滤波器，这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单。但这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易发生并联谐振，导致谐波放大。经过实践，并不适合天然气管线压气站使用。

2.2 有源电力滤波器（APF）

谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（Active Power Filter，APF），其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其补偿性能不受电网阻抗的影响，在电力系统设计中得到广泛应用。endprint

2.3 使用无谐波污染的变频器

天然气管线压气站内主要抑制谐波的方法是使用无谐波污染的电流源型变频器和电压源型变频器。

电流源型变频技术最先出现，其中间直流环节使用电感平波，一般使用半控器件可控硅来实现电源频率变换，技术方案比较成熟，但谐波量大，需要庞大的滤波装置，对电源条件要求很高。随着大容量功率器件IEGT、IGCT的相继出现，使电压源型变频技术进入快速发展阶段，电压源型变频器的中间直流环节使用电容平波。从结构上分析，电压源型变频器由于脉冲数量较高，电平数也较多，故具有更好的输入输出波形，总谐波畸变THD<1%，同时由于没有均压问题，系统效率和功率因数较高，虽然不能四象限运行，但压气站内压缩机没有四象限运行的工况。所以电压源型变频器成为目前天然气管线压气站内选择变频器的主要技术方案，根据压气站内实际谐波限值要求，主要采用多脉冲整流、隔离变压器耦合输出、多电平、单元级联等技术，针对仍无法满足谐波限值要求的压气站，采用输入侧滤波器

和输出侧滤波器，使变频器本体产生的谐波降低到最小。

目前在天然气管线上应用过的变频器主要有：西气东输一线采用的电流源型变频器，西门子公司制造，12脉冲整流方式。采用无源滤波装置，主要对5、7、11次谐波进行治理，功率因数可以达到0.95以上；西气东输二线采用的电压源型变频器，日本东芝三菱公司制造，36脉冲整流方式，逆变侧5电平输入，功率因数可以接近为1，由于其结构特点最大程度上避免了谐波的产生，所以在输入侧和输出侧均未设置滤波器，现场效果良好；国内厂家根据变频技术的发展，结合天然气管线用变频器的工况需求，已经研制出可以明显抑制和消除谐波并拥有自主知识产权的设备，并在西气东输二线东段和西气东输三线西段等项目上得到应用，如上海广电电气集团研制的电压源型完美无谐波变频器和鞍山荣信集团研制的电压源型H级桥变频器，根据现场运行反馈，在西气东输二线东段的工业性试验和运行阶段，其抑制和消除谐波的功能显著。

3 结语

为了防止谐波干扰，天然气管线压气站变频器在使用过程中，除了在方案初期就合理选择变频器的拓扑方案和器件布局外，还应在详细设计阶段就加强对输入输出线路的隔离和配线方式、高压电缆和地线的敷设方式等设计事项。同时在整个压气站的电气设计中，还应结合变频器的安装场所、安装方式、施工注意事项等一系列现场条件，只有综合考虑抑制谐波的各种方案，才能确保压气站内设备的可靠运行。

参考文献

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[2] 黄慧敏.变频器的谐波危害与对策[J].自动控制，2006，（3）.

[3] 王兆安，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2011.

作者简介：林森（1979-），男，中国石油天然气管道工程有限公司工程师，研究生，研究方向：电气设计。endprint