磁性濾波在遼河油田的應(yīng)用

侯建宇

摘 要：本文就油田配電網(wǎng)的主要諧波源及其危害進(jìn)行分析，并從磁性濾波技術(shù)角度提出方案進(jìn)行治理。

關(guān)鍵詞：諧波源；磁性濾波；中頻加熱；油田

中圖分類號(hào)：TE357 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著“節(jié)能降耗”工作的開(kāi)展，變頻調(diào)速作為電機(jī)啟動(dòng)、控制及節(jié)電的新技術(shù)，在油田得到大量應(yīng)用。此外為提高稠油采出量，油田也使用一種中頻加熱裝置加熱地脈中的石油，從而使高粘稠度變成低粘稠度的石油來(lái)開(kāi)采。但變頻器的固有的非線性負(fù)荷（針對(duì)電網(wǎng)而言）性質(zhì)是一把雙刃劍，在具有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也加重電網(wǎng)諧波污染。

1 諧波的產(chǎn)生及危害

1.1 諧波產(chǎn)生的主要原因。變頻器和中頻加熱裝置為遼河油田配電網(wǎng)的主要諧波源。變頻器和中頻加熱裝置大量使用了可控、半控或不可控的非線性電力電子元件，它們不是從電網(wǎng)中吸取連續(xù)的正弦波，是以脈動(dòng)的斷續(xù)方式向所在電網(wǎng)索求電流，進(jìn)而這種脈動(dòng)電流與電網(wǎng)沿路阻抗共同的形成脈動(dòng)電壓降疊加于電網(wǎng)電壓上，發(fā)生電壓畸變，形成非同期的正弦波電流，其值是由基波和諧波疊加組成，其中主要特征諧波為5、7、11、13次。諧波對(duì)電力系統(tǒng)造成很大的污染和干擾，尤其是對(duì)容量小的系統(tǒng)，其損害程度更大。

1.2 諧波對(duì)配電系統(tǒng)的危害。（1）影響電氣設(shè)備壽命。諧波電壓的疊加會(huì)引起局部放電，且系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償電容器通常會(huì)放大諧波，加速設(shè)備老化，降低絕緣水平，縮短設(shè)備電氣壽命。（2）影響安全生產(chǎn)。使電容器產(chǎn)生過(guò)流和過(guò)壓，無(wú)功補(bǔ)償無(wú)法正常投切，造成電容器燒毀的后果；加大設(shè)備震動(dòng)，增大噪聲；繼電保護(hù)易出現(xiàn)誤動(dòng)作，儀表計(jì)量精度將受影響；通信系統(tǒng)會(huì)受到干擾；極易產(chǎn)生電網(wǎng)局部諧振。（3）生成附加能耗。造成功率因數(shù)降低和無(wú)功電流增大，增加變壓器與線路的損耗，增加補(bǔ)償電容器的補(bǔ)償容量；增大異步電動(dòng)機(jī)發(fā)熱損耗，同時(shí)降低其效率，嚴(yán)重則使其燒毀。以5次諧波電流占有基波電流30%，7次諧波電流占有基波電流15%計(jì)算，系統(tǒng)內(nèi)線路的發(fā)熱損耗將增加23%，系統(tǒng)內(nèi)鐵芯類設(shè)備損耗將增加50%以上。

2 系統(tǒng)治理方案

2.1 指導(dǎo)思想。（1）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧波治理，應(yīng)本著從源頭治理的原則，采取就近治理的方式。（2）在變頻器裝配較多的配電系統(tǒng)，考慮到配電室空間問(wèn)題，將在變壓器低壓母線上進(jìn)行諧波綜合治理， 在濾除諧波的同時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)所需無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。

2.2 方案制定

2.2.1 單變頻器諧波治理。（1）技術(shù)分析。變頻器和中頻裝置的特征諧波以5、7、11、13次為主，諧波電流含有率和電壓畸變率都處于高值。變頻裝置的固有功率因數(shù)非常高，理論上接近于1，變頻系統(tǒng)配電回路功率因數(shù)一般在0.70-0.86之間。目前，國(guó)內(nèi)外諧波治理技術(shù)主要有無(wú)源濾波和有源濾波，無(wú)源濾波技術(shù)是通過(guò)電容電抗串聯(lián)組成諧振回路，對(duì)某一特定頻率的諧波進(jìn)行濾除。該方法在濾波的同時(shí)存在無(wú)功補(bǔ)償，這對(duì)固有功率因數(shù)很高的變頻設(shè)備極易造成過(guò)補(bǔ)償，燒毀變頻器，引發(fā)系統(tǒng)諧振，因此無(wú)源濾波方式不適用于變頻調(diào)速系統(tǒng)的濾波。有源濾波技術(shù)是通過(guò)跟蹤線路電流的變化，產(chǎn)生與諧波電流相位相反的電流來(lái)進(jìn)行諧波抵消濾除。它要消耗與諧波功率同等的電能，另外，其內(nèi)部電子元件很多，可靠性差，維護(hù)量大，價(jià)格較貴。磁性濾波以移相技術(shù)與電磁轉(zhuǎn)換原理為基礎(chǔ)，諧波電能最終轉(zhuǎn)為磁能形式。諧波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁性濾波器特殊品字形磁路結(jié)構(gòu)中，被分解為方向相反的磁通，在鐵芯磁路中相互抵消，從而達(dá)到對(duì)電能諧波濾除的目的。如圖1中所示：a、b、c分別為三相諧波電流，在品字形結(jié)構(gòu)和特定磁路的作用下，a相諧波磁場(chǎng)向c相磁場(chǎng)偏移后返回a相，形成方向相反的磁束，在鐵芯內(nèi)抵消；（另外b、c相工作原理同a相）。諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)在鐵芯中的形成的抵消效果如圖2所示，經(jīng)移相偏移后，n次諧波在鐵芯中產(chǎn)生的磁場(chǎng)為Bnˊ 和Bn，Bnˊ 和Bn方向相反，大部分被抵消，抵消后的磁場(chǎng)無(wú)法感應(yīng)出原來(lái)的諧波電流。磁性濾波技術(shù)在消除系統(tǒng)諧波的同時(shí)，提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，抑制了電涌并且可以改善三相不平衡。

2.2.2 母線綜合諧波治理。母線綜合諧波治理采用智能型連續(xù)可調(diào)磁性濾波裝置，本裝置基于磁性濾波原理，將磁性濾波和無(wú)功補(bǔ)償集成在1套裝置中：一般補(bǔ)償柜可以有濾波功能，但濾波通道單一，且濾波效果差，這是因?yàn)橐_(dá)到較高的濾除率將導(dǎo)致無(wú)功嚴(yán)重過(guò)補(bǔ)，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定狀態(tài)，容易諧振。而連續(xù)可調(diào)磁性濾波補(bǔ)償裝置采用磁性閥器件，構(gòu)成一條感性支路，與容性支路并聯(lián)，實(shí)時(shí)吸收或釋放容性功率，原理見(jiàn)圖3。通過(guò)控制程序?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)磁性閥器件電流來(lái)改變?nèi)嘀骶€圈激磁電抗和激磁電流，從而調(diào)節(jié)由可控電抗器生成的感性電流。同時(shí)感性電流與多余的容性電流中和，吸收過(guò)補(bǔ)容性電流。感性電流可以隨著負(fù)荷的波動(dòng)不斷的改變，消化多余的容性電流，進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)定功率因數(shù)和濾除系統(tǒng)諧波之目的。

2.3 方案實(shí)施。針對(duì)油田內(nèi)變頻安裝的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，提出三種方案進(jìn)行實(shí)施，以便針對(duì)不同系統(tǒng)現(xiàn)狀及投資規(guī)模進(jìn)行選擇。（1）在變頻器和中頻裝置的進(jìn)線柜電源輸入側(cè)安裝一臺(tái)磁性濾波裝置，此方案可濾除變頻器和中頻裝置的諧波并降低電壓諧波總畸變率，使其不對(duì)公共用電電網(wǎng)造成污染，抑制電源電涌，同時(shí)提高功率因數(shù)。（2）在每臺(tái)變頻器三相電源輸入側(cè)各安裝一臺(tái)磁性濾波裝置，可濾除變頻器諧波，使其不對(duì)公共用電電網(wǎng)造成污染，抑制電源電涌，同時(shí)提高功率因數(shù)。（3）在裝有變頻器數(shù)量較多且因現(xiàn)場(chǎng)條件限制配電室空間緊張的站點(diǎn)進(jìn)行母線濾波補(bǔ)償綜合治理。

結(jié)語(yǔ)

磁性濾波技術(shù)在遼河油田部分采油廠開(kāi)展了小范圍的實(shí)驗(yàn)性應(yīng)用，實(shí)踐證明，濾波效果明顯，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T26870-2011，電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].