水廠泵房高次諧波的危害及預(yù)防措施

齊亞楠 ，李志庚 ，劉桐瑋

(1. 天津泰達(dá)水業(yè)有限公司 天津300457；2. 天津泰達(dá)津聯(lián)自來水有限公司 天津300457)

1 高次諧波產(chǎn)生的原因

高次諧波是指對周期性非正弦交流電流或電壓進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次諧波，基波頻率與工頻頻率相同即 50Hz[1]。高次諧波根據(jù)其產(chǎn)生原因主要有以下3類：

①供電系統(tǒng)中電廠在發(fā)電，過程中產(chǎn)生的高次諧波。主要原因是發(fā)電機(jī)三相繞組很難做到絕對對稱，定子鐵芯也很難做到均勻一致，易產(chǎn)生三相不平衡的三相電，此外發(fā)電系統(tǒng)的不穩(wěn)定及其他原因，都會(huì)產(chǎn)生高次諧波。

②輸配送電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波。在輸配送電的過程中需要大量的變壓器，變壓器在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是不易產(chǎn)生高次諧波的，但達(dá)到滿負(fù)荷或超載運(yùn)行時(shí)，變壓器的磁通量就會(huì)達(dá)到飽和而產(chǎn)生高次諧波。還有輸配送電網(wǎng)中投入空載變壓器或電網(wǎng)合閘時(shí)都會(huì)產(chǎn)生涌流，涌流進(jìn)入電網(wǎng)，也會(huì)產(chǎn)生突發(fā)性的高次諧波。電網(wǎng)中還會(huì)有數(shù)個(gè)頻率不同的正弦波電流，電流疊加，也會(huì)形成電網(wǎng)中的高次諧波。

③以電子元件為基礎(chǔ)的電源設(shè)備或電路板，如整流器、逆變器、變頻器、UPS等，都易產(chǎn)生高次諧波。因其都具有整流逆變的特性，都為非線性設(shè)備，構(gòu)成了主要的高次諧波源。變頻器產(chǎn)生的高次諧波主要為 3、5、7次諧波，通過傳導(dǎo)、電磁輻射和感應(yīng)耦合3種方式干擾周圍的設(shè)備。

2 高次諧波對用電設(shè)備的危害

在平衡的三相電系統(tǒng)中，由于對稱的關(guān)系，偶數(shù)次諧波基本已經(jīng)被消除，只剩下奇數(shù)次諧波存在。

①高次諧波會(huì)增加定子繞組、轉(zhuǎn)子、鐵芯中產(chǎn)生的銅耗和其他附加損耗，導(dǎo)致電機(jī)效率降低，電機(jī)的局部過熱，振動(dòng)和噪音增大，過熱會(huì)加速電機(jī)絕緣層的老化，降低設(shè)備的使用壽命，產(chǎn)生的高次諧波也會(huì)不斷沖擊電機(jī)軸承，影響軸承的使用壽命。

②對保護(hù)性電器，如熔斷器、熱繼電器、低壓斷路器等，電網(wǎng)中的高次諧波電流會(huì)使這些保護(hù)性電器產(chǎn)生額外的力矩，改變保護(hù)電器的固有動(dòng)作特性，引起保護(hù)電器的誤動(dòng)作，產(chǎn)生過高的高次諧波電壓有可能燒毀保護(hù)電器的線圈，電壓升高也會(huì)導(dǎo)致電力線纜的絕緣應(yīng)力升高，電纜溫度升高，最終有可能擊穿電纜絕緣[2]。

③電力電子設(shè)備利用電流4～20mA或電壓0～10V的模擬量來控制，諧波會(huì)干擾其準(zhǔn)確性，易使設(shè)備發(fā)生誤動(dòng)作。

④壓力變送器、流量計(jì)、液位計(jì)等計(jì)量性儀表因?yàn)楦叽沃C波會(huì)產(chǎn)生額外轉(zhuǎn)距，引起動(dòng)作誤差，降低計(jì)量的精準(zhǔn)度，甚至可能因?yàn)榱剡^大、電壓突然升高而燒毀計(jì)量性儀表線圈或電路板。

⑤諧波會(huì)增加變壓器中的銅耗、鐵耗或者其他損耗，使得變壓器溫度上升，影響其絕緣能力，容量降低。諧波還能產(chǎn)生共振及噪聲變大等問題[3]。

⑥電力電容設(shè)備常作為電網(wǎng)中無功補(bǔ)償設(shè)備，用于提高功率因數(shù)。當(dāng)高次諧波電壓疊加在基波電壓上，電壓值實(shí)際值大于其有效值，會(huì)使電容器因過負(fù)荷而發(fā)熱，可能發(fā)生局部放電而損壞。當(dāng)諧波電流和電容器發(fā)生諧振時(shí)，高次諧波電流會(huì)不斷放大，電容器成倍的過負(fù)荷，使得電容器損壞。

3 水廠泵房高次諧波的預(yù)防措施

現(xiàn)代水廠的泵房大多采用變頻器控制。水泵采用變頻器調(diào)速后節(jié)能效果明顯，安全有效地保護(hù)水泵在自動(dòng)化系統(tǒng)中，輸出頻率精準(zhǔn)，調(diào)節(jié)方便。但變頻器是非線性的，它的主電路輸入和輸出端都會(huì)產(chǎn)生高次諧波。我廠采用的是丹佛斯 VLT AQUA Drive FC202系列變頻器，專用于供水和污水處理，但是通過平時(shí)生產(chǎn)運(yùn)行、設(shè)備點(diǎn)檢時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)過熱，噪聲過大，水泵保養(yǎng)時(shí)軸承有小坑和發(fā)黑現(xiàn)象。通過分析原因，查找問題，聯(lián)系水泵和變頻器廠家，發(fā)現(xiàn)是變頻器偶爾產(chǎn)生的高次諧波引起，高次諧波對泵軸承產(chǎn)生了沖擊，減少了軸承的使用壽命，因此對于變頻器產(chǎn)生的高次諧波必須采取適當(dāng)措施。

3.1 優(yōu)化變頻器運(yùn)行條件

①將變頻器獨(dú)立供電，并在變頻器的輸入端安裝隔離變壓器，若情況允許最好將變頻器獨(dú)立安裝在一個(gè)配電柜中，減少電源之間的相互干擾。

②將變頻器和其他設(shè)備接地分開，獨(dú)立接地。將變頻器的輸出電纜盡量遠(yuǎn)離控制電纜，輸出電纜與控制電纜應(yīng)分開穿鋼管，并將鋼管可靠接地，盡量減小變頻器電纜對控制系統(tǒng)的干擾。

③在變頻器輸出側(cè)安裝直流電抗器，它能夠提供無功補(bǔ)償，有效抑制整流后電流的幅值，提高輸入側(cè)的功率因數(shù)，提高水泵效率，減少對電網(wǎng)的污染。

④在變頻器輸出端加LC正弦濾波器，并盡量靠近變頻器安裝，縮短線纜長度。LC正弦波濾波器用于改善變頻器輸出端電壓波形，使PWM波形轉(zhuǎn)換為正弦波或近似于正弦波，降低電壓的變化率。

⑤在變頻器的輸入側(cè)加裝交流電抗器，它能有效地抑制電網(wǎng)中的高次諧波電流，提高功率因數(shù)，還能削弱電網(wǎng)中的浪涌，減少浪涌電流對變頻器的沖擊，削弱三相電壓不平衡造成的影響，從而有效保護(hù)變頻器。

3.2 采用合適的控制策略和運(yùn)行方式

①水廠中基本都采用異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電源頻率較低時(shí)，電源中高次諧波會(huì)引起電機(jī)的銅耗、鐵耗和其他損耗增加，電機(jī)容易發(fā)熱。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電機(jī)的低速冷卻狀況變差，溫升急劇增加，電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩輸出[4]。所以在生產(chǎn)時(shí)盡量保持滿頻率運(yùn)行，避免來回切換水泵，盡量減少變頻器頻率的來回跳躍。滿頻率運(yùn)行，產(chǎn)生的高次諧波最少，電機(jī)效率最高，散熱效果最佳。

②優(yōu)化變頻器的控制方式，現(xiàn)代水廠一般以恒壓控制調(diào)節(jié)變頻器，進(jìn)而調(diào)節(jié)水泵，如出廠水水泵有時(shí)流量不穩(wěn)，忽高忽低，壓力也不能穩(wěn)定，變頻器為了保證壓力恒定，不斷調(diào)節(jié)易產(chǎn)生高次諧波。對此可以優(yōu)化PID控制，延長壓力整定的時(shí)間。

通過分析高次諧波產(chǎn)生的原因及其危害，總結(jié)變頻器產(chǎn)生高次諧波的預(yù)防與治理方法。通過降低高次諧波，能有效保護(hù)設(shè)備，延長設(shè)備的使用壽命，還能提高功率因數(shù)，節(jié)約了工業(yè)用電，達(dá)到節(jié)約成本的目的。