基于马钢CSP项目的间谐波及滤波装置的分析探讨

程 磊

（马钢股份有限公司技术改造部，安徽马鞍山 243000）

引言

由于交流电机比直流电机具有较多的优点。因此，钢铁企业中逐渐采用交流调速装置取代直流调速装置。而交流调速一般采用交—直—交变频器或交—交变频器。这些变频器在工作时，不仅产生谐波（一般指频率为基波频率的整数倍的谐波），而且产生间谐波（一般指频率为基波频率的非整数倍的谐波，又称次谐波）［1］。

间谐波及其影响是广泛存在的。间谐波除了谐波具有的一般危害外，还会引起电压波动、闪变、系统电压零点偏移等危害。另外，无源滤波装置与间谐波容易互相作用，导致间谐波被放大，危害滤波装置及其它设备。因此，在有间谐波的场合，装设无源滤波装置时，需要防止间谐波被放大而引发的次生危害［2］。

针对马钢CSP 项目中交交变频装置产生的谐波、间谐波及其滤波装置做一个简要分析。

1 变频调速装置产生的谐波及间谐波

晶闸管交流调速装置工作时，不但产生谐波，而且产生间谐波，产生的谐波和间谐波频率fn不仅与输入频率f1有关，而且与输出频率f0有关，谐波与间谐波的频率fn可以表达为：

式中：k，m——取值为非负整数，即0，1，2……；

p——输入脉动数；

L——输出脉动数，它是一个和变频器负载相数有关的系数：当负载为三相负载时，L=6，当负载为单相负载时，L=2；

f1——供电电源的基波频率；

f0——变频器的输出频率。

可以看出：

当m=0 时，fn=（kp± 1）f1，此时fn为f1的整数倍，即fn为谐波。

当m=1，2……时，f0一般根据生产工艺的需要，在0～f1之间变化，此时fn通常不是f1的整数倍，而是非整数倍，因此它是间谐波。但是，当f0为某些特殊值时，部分间谐波也表现为谐波的形式。

例如，当L=6，f0=f1/ 6 时，fn=（kp± 1）f1± Lmf0=（kp± 1）f1± mf1=［（kp±1）± m］f1，此时fn也是f1的整数倍。

又如：k=1，p=6，L=6，m=1，f0=f1/6 时，fn=［（6 ±1）±1］f1=4f1或6f1或8f1。

2 间谐波的影响

由于间谐波的频率不是基波频率的整数倍，因此它与基波不同步，这样就导致它对系统的影响更多，具体表现在以下几个方面。

2.1 引起电压波动和闪变

由于谐波频率是基波频率的整数倍，因此，当谐波电压（电流）和基波电压（电流）的数值不变时，相邻两个周期内的电压（电流）波形是相同的，因此它一般不会引起太大的电压波动和闪变。但间谐波的频率不是基波频率的整数倍，所以即使间谐波电压（电流）和基波电压（电流）的数值不变时，相邻两个周期的电压（电流）波形也是不同的。这样就会引起电压波动和闪变。

2.2 产生谐振，引发设备故障

无源滤波装置的几个滤波支路之间以及滤波支路与系统阻抗之间均会存在并联谐振点，当并联谐振点的频率与间谐波的频率接近时，间谐波将会被严重放大，甚至产生危险的谐振过电压。此时无源滤波装置就会过载而不能正常运行，甚至故障。如果不从设计上避免这种情况，仅仅加大无源滤波装置的过载能力，有可能危害其它电力设备的安全运行，造成更严重的后果。

2.3 使电压波形零点偏移

当系统中存在间谐波电压时，相邻两个周期的电压波形是不同的。在某些周期内，还会使电压波形零点偏移。由于电压波形零点是某些设备工作时的基准点，如果间谐波改变了电压波形零点，就会影响这些设备的正常运行，甚至造成事故。

3 马钢CSP的供电系统及其谐波、间谐波

马钢薄板连铸连轧CSP 项目，建有36#变电所1座，有4 套35 kV 和10 kV 供电系统。其中35 kV 为轧钢主传动系统。35 kV 母线上接入4 台F1～F4 交交变频装置。

CSP 项目投产后，对35 kV 母线进行过谐波测试。谐波电流测试数据见表1所列。

表1 35 kV母线生产运行时谐波状态测试数据

由于间谐波电流的频率太多，测试仪器无法记录所有间谐波电流的频率和数值，但它记录了一些非特征谐波电流值（4 次、6 次、8 次、12 次、18 次等），这些谐波电流实际上是间谐波的一种特殊表现。

4 马钢CSP的无源滤波装置

马钢CSP在建设时，在35 kV母线上接入了1套无源滤波装置，该滤波装置由4个滤波支路H4、H5、H7、H10 组成，其滤波电容器的参数如表2 所列，该装置由西门子公司提供。

表2 35 kV母线接入无源滤波电容器参数表

该滤波装置与常规滤波装置不同的地方是：滤波电抗器的顶部都有一个不锈钢做成的线圈，与电抗器的线圈串联。由于不锈钢的电阻较大，因此其作用是在滤波支路中串联一个电阻，目的是降低滤波支路的品质因数，抑制滤波装置对间谐波的放大倍数。

采用电感电容表对4 组滤波电抗器进行测量，滤波电抗器串联电阻前后的品质因数如表3所列。

表3 串联电阻前后的滤波电抗器品质因数

根据以上无源滤波装置的参数和35 kV 母线的短路容量（603 MVA），我们采用阻抗并联法［3］计算出串联电阻前流入系统谐波电流比例系数（也就是谐波电流放大系数）见图1；串联电阻后流入系统谐波电流比例系数见图2。

图1 串联电阻前的谐波电流放大系数

图2 串联电阻后的谐波电流放大系数

从图1 和图2 可以看出：无源滤波装置的并联谐振点处的频率为基波频率的非整数倍。如果变频装置产生的间谐波落在并联谐振点附近，流入系统和滤波装置的间谐波将会大大超过变频装置产生的间谐波。针对本系统，当交交变频装置的工作频率在12 Hz附近时，变频装置就会产生fn=（kp±1）f1±mLf0=（6-1）×50-6×12=178 Hz 的间谐波。此时，间谐波正好落在并联谐振点附近。滤波电抗器不串电阻时，178 Hz的间谐波的放大倍数达到25倍左右，即使串入电阻，放大倍数仍然达到9倍。

以上分析与实际使用情况基本一致。在长期使用过程中，H4滤波电容器由于损坏而全部更换过一次，而H5、H7、H10滤波支路的滤波电容器没有发生过故障。

5 总结

交交变频装置在工作时不仅会产生特征谐波，而且会产生大量间谐波。这些间谐波不仅对电力系统产生危害，而且对常规的无源滤波装置也会产生危害。因此，在设计无源滤波装置时需要非常小心核对设计参数，特别要防止间谐波被无源滤波装置放大，被放大的间谐波不仅危害无源滤波装置，而且会严重危害系统中其它设备的安全运行。

实际上，不仅仅是交交变频装置会产生间谐波，其它大型变频设备（例如中频炉）也会产生大量间谐波。为它们配套滤波装置时需特别关注上述各参数以及因设计、工况参数引起的变化和后果。