水厂泵房高次谐波的危害及预防措施

齐亚楠 ，李志庚 ，刘桐玮

(1. 天津泰达水业有限公司 天津300457；2. 天津泰达津联自来水有限公司 天津300457)

1 高次谐波产生的原因

高次谐波是指对周期性非正弦交流电流或电压进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次谐波，基波频率与工频频率相同即 50Hz[1]。高次谐波根据其产生原因主要有以下3类：

①供电系统中电厂在发电，过程中产生的高次谐波。主要原因是发电机三相绕组很难做到绝对对称，定子铁芯也很难做到均匀一致，易产生三相不平衡的三相电，此外发电系统的不稳定及其他原因，都会产生高次谐波。

②输配送电网中产生的谐波。在输配送电的过程中需要大量的变压器，变压器在正常运转时是不易产生高次谐波的，但达到满负荷或超载运行时，变压器的磁通量就会达到饱和而产生高次谐波。还有输配送电网中投入空载变压器或电网合闸时都会产生涌流，涌流进入电网，也会产生突发性的高次谐波。电网中还会有数个频率不同的正弦波电流，电流叠加，也会形成电网中的高次谐波。

③以电子元件为基础的电源设备或电路板，如整流器、逆变器、变频器、UPS等，都易产生高次谐波。因其都具有整流逆变的特性，都为非线性设备，构成了主要的高次谐波源。变频器产生的高次谐波主要为 3、5、7次谐波，通过传导、电磁辐射和感应耦合3种方式干扰周围的设备。

2 高次谐波对用电设备的危害

在平衡的三相电系统中，由于对称的关系，偶数次谐波基本已经被消除，只剩下奇数次谐波存在。

①高次谐波会增加定子绕组、转子、铁芯中产生的铜耗和其他附加损耗，导致电机效率降低，电机的局部过热，振动和噪音增大，过热会加速电机绝缘层的老化，降低设备的使用寿命，产生的高次谐波也会不断冲击电机轴承，影响轴承的使用寿命。

②对保护性电器，如熔断器、热继电器、低压断路器等，电网中的高次谐波电流会使这些保护性电器产生额外的力矩，改变保护电器的固有动作特性，引起保护电器的误动作，产生过高的高次谐波电压有可能烧毁保护电器的线圈，电压升高也会导致电力线缆的绝缘应力升高，电缆温度升高，最终有可能击穿电缆绝缘[2]。

③电力电子设备利用电流4～20mA或电压0～10V的模拟量来控制，谐波会干扰其准确性，易使设备发生误动作。

④压力变送器、流量计、液位计等计量性仪表因为高次谐波会产生额外转距，引起动作误差，降低计量的精准度，甚至可能因为力矩过大、电压突然升高而烧毁计量性仪表线圈或电路板。

⑤谐波会增加变压器中的铜耗、铁耗或者其他损耗，使得变压器温度上升，影响其绝缘能力，容量降低。谐波还能产生共振及噪声变大等问题[3]。

⑥电力电容设备常作为电网中无功补偿设备，用于提高功率因数。当高次谐波电压叠加在基波电压上，电压值实际值大于其有效值，会使电容器因过负荷而发热，可能发生局部放电而损坏。当谐波电流和电容器发生谐振时，高次谐波电流会不断放大，电容器成倍的过负荷，使得电容器损坏。

3 水厂泵房高次谐波的预防措施

现代水厂的泵房大多采用变频器控制。水泵采用变频器调速后节能效果明显，安全有效地保护水泵在自动化系统中，输出频率精准，调节方便。但变频器是非线性的，它的主电路输入和输出端都会产生高次谐波。我厂采用的是丹佛斯 VLT AQUA Drive FC202系列变频器，专用于供水和污水处理，但是通过平时生产运行、设备点检时发现电机过热，噪声过大，水泵保养时轴承有小坑和发黑现象。通过分析原因，查找问题，联系水泵和变频器厂家，发现是变频器偶尔产生的高次谐波引起，高次谐波对泵轴承产生了冲击，减少了轴承的使用寿命，因此对于变频器产生的高次谐波必须采取适当措施。

3.1 优化变频器运行条件

①将变频器独立供电，并在变频器的输入端安装隔离变压器，若情况允许最好将变频器独立安装在一个配电柜中，减少电源之间的相互干扰。

②将变频器和其他设备接地分开，独立接地。将变频器的输出电缆尽量远离控制电缆，输出电缆与控制电缆应分开穿钢管，并将钢管可靠接地，尽量减小变频器电缆对控制系统的干扰。

③在变频器输出侧安装直流电抗器，它能够提供无功补偿，有效抑制整流后电流的幅值，提高输入侧的功率因数，提高水泵效率，减少对电网的污染。

④在变频器输出端加LC正弦滤波器，并尽量靠近变频器安装，缩短线缆长度。LC正弦波滤波器用于改善变频器输出端电压波形，使PWM波形转换为正弦波或近似于正弦波，降低电压的变化率。

⑤在变频器的输入侧加装交流电抗器，它能有效地抑制电网中的高次谐波电流，提高功率因数，还能削弱电网中的浪涌，减少浪涌电流对变频器的冲击，削弱三相电压不平衡造成的影响，从而有效保护变频器。

3.2 采用合适的控制策略和运行方式

①水厂中基本都采用异步电动机，当电源频率较低时，电源中高次谐波会引起电机的铜耗、铁耗和其他损耗增加，电机容易发热。异步电动机转速降低时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电机的低速冷却状况变差，温升急剧增加，电机难以实现恒定转矩输出[4]。所以在生产时尽量保持满频率运行，避免来回切换水泵，尽量减少变频器频率的来回跳跃。满频率运行，产生的高次谐波最少，电机效率最高，散热效果最佳。

②优化变频器的控制方式，现代水厂一般以恒压控制调节变频器，进而调节水泵，如出厂水水泵有时流量不稳，忽高忽低，压力也不能稳定，变频器为了保证压力恒定，不断调节易产生高次谐波。对此可以优化PID控制，延长压力整定的时间。

通过分析高次谐波产生的原因及其危害，总结变频器产生高次谐波的预防与治理方法。通过降低高次谐波，能有效保护设备，延长设备的使用寿命，还能提高功率因数，节约了工业用电，达到节约成本的目的。