廣播電視工程中無功補償與諧波治理的技術(shù)研究

梅健

（吉林廣播電視臺 吉林長春 130000）

在廣播電視工程建設(shè)及運營過程中，較大負(fù)荷的電力設(shè)備會產(chǎn)生無功功率，種類復(fù)雜的電子信息產(chǎn)品也會產(chǎn)出大量諧波電流，嚴(yán)重影響到廣播電視工程的穩(wěn)定性，并使無功補償裝置極易出現(xiàn)故障問題。在沒有做好無功補償及諧波治理工作的情況下，諧波電流會導(dǎo)致電纜及變壓裝置過熱，從而引發(fā)一系列嚴(yán)重的安全事故問題。由此可見，在現(xiàn)階段廣播電視工程建設(shè)與內(nèi)部電氣系統(tǒng)設(shè)計期間，需著重關(guān)注無功補償裝置的優(yōu)化工作，結(jié)合諧波對電力系統(tǒng)的各類不利影響，制訂出專項可行的諧波治理方案。

1 廣播電視工程無功補償與諧波治理重要意義

隨電力技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，廣播電視行業(yè)對電力資源傳輸質(zhì)量及電力系統(tǒng)運行期間的安全穩(wěn)定性提出了更高要求。就目前來看，廣播電視工程內(nèi)電力系統(tǒng)由各規(guī)格不同的晶閘管、電子設(shè)備組成，非線性負(fù)載量較大。因變流器、直流電動機、變壓器及交流電動機結(jié)構(gòu)日漸復(fù)雜，保障低壓系統(tǒng)中的電能質(zhì)量及控制線路損耗量的工作難度更大，在廣播電視工程建設(shè)發(fā)展期間需要著重做好無功補償及諧波治理工作。

通過對比分析現(xiàn)有廣播電視工程內(nèi)各變壓裝置運行線路的諧波監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)工程內(nèi)線路諧波超標(biāo)量最大的是發(fā)射機房，其他常用線路的諧波產(chǎn)出量較小。遵照現(xiàn)有國家頒布的電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波規(guī)定，發(fā)現(xiàn)為保障電視節(jié)目安全高效播出，必須將無功補償與諧波治理落實在日常工作任務(wù)中，選擇適宜的無功補償及諧波治理技術(shù)方案，優(yōu)化無功補償裝置功能，最大限度地減小無功功率與諧波對電力系統(tǒng)造成的危害，控制后續(xù)電力設(shè)備運維成本。

2 廣播電視工程無功補償特征

當(dāng)前，廣播電視工程內(nèi)電力有源濾波及無功綜合補償?shù)某Ｒ娧b置為低壓有源濾波器。有源濾波器內(nèi)包括高性能數(shù)字處理裝置、高頻電力電子變流技術(shù)，可用于抑制諧波與動態(tài)無功補償。相較于傳統(tǒng)濾波裝置而言，有源濾波器能夠切實提升廣播電視工程電力系統(tǒng)的抗諧振及諧波治理水平，實現(xiàn)節(jié)能增效目標(biāo)。不僅如此，有源濾波器以廣播電視工程運行期間的制作、傳輸、發(fā)射及播出環(huán)節(jié)的電負(fù)荷為服務(wù)對象。其中，發(fā)射機房運行電力負(fù)荷量較大，對電力資源傳輸期間的穩(wěn)定可靠性要求更高，在使用UPS電源時，也會不可避免會產(chǎn)生較多諧波電流量。同時，廣播電視工作還需要電子計算機、打印機、照明裝置等電力裝置輔助，使無功補償工作應(yīng)始終處于不斷優(yōu)化狀態(tài)。

3 廣播電視工程無功補償裝置缺陷

在諧波電流量超標(biāo)的情況下，電力系統(tǒng)運行期間的安全及可靠性將會受到嚴(yán)重威脅。通過分析廣播電視工程運行現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)用電容補償?shù)闹饕椒樘岣吖β室驍?shù)。但在無功補償裝置中，依然存在以下缺陷問題。

（1）電容量基波電流不斷疊加，產(chǎn)出的諧波電流會使電容量電流有效值增大，電力裝置運行期間的溫度提升，在沒有得到及時維護的情況下，電容器極易被燒壞。

（2）電容裝置中的基波電壓及諧波電壓進一步累加，使電容量的電壓峰值增大，進而引發(fā)電容器損害問題［1］。

（3）電力系統(tǒng)會與運行狀態(tài)下的電容器產(chǎn)出諧振，使諧波放大。在此過程中，電容裝置不僅極易出現(xiàn)故障問題，其他電力設(shè)備也會面臨不同的安全威脅。雖然提高功率因數(shù)直接補償電容的方式能夠有效控制無功消耗量，但難以有效治理諧波，并會與電網(wǎng)諧振電發(fā)生共振，使諧波放大，進而引發(fā)系統(tǒng)崩潰問題。由此可見，為有效彌補電容器的不足之處，還需要配合使用消諧濾波補償裝置。

4 廣播電視工程諧波產(chǎn)生原因及危害

4.1 諧波產(chǎn)生原因

廣播電視工程中的無線電設(shè)備諧波電能實際危害較大，諧波產(chǎn)生原因種類多，實際管控難度不斷增長。通過分析廣播電視工程運行案例，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)諧波問題的原因多體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）非線性負(fù)載量過大。在非正弦電流產(chǎn)生時，負(fù)載電流產(chǎn)出的諧波廣播并不具備有線性關(guān)系，非正弦諧波電流可使無線電產(chǎn)出諧波，電流中的頻率及波頻率差距較大。結(jié)合波形特征，如某波形分解出的量值不同［2］，該量值可利用正弦諧波基本波表示。通常情況下，諧波可分為奇數(shù)次諧波與偶數(shù)次諧波兩種類型。其中，奇數(shù)次諧波的危害程度遠(yuǎn)大于偶數(shù)次諧波。

（2）電力傳輸及生產(chǎn)期間產(chǎn)出諧波。在廣播電視工程電力系統(tǒng)運行期間的諧波主要是由發(fā)電站電路連接方式及結(jié)構(gòu)決定。發(fā)電站布線及轉(zhuǎn)換處理方法是基頻正弦斜波電源發(fā)電，可直接影響到發(fā)電機產(chǎn)生的電壓值與諧波量。

（3）其他電氣設(shè)備也會引發(fā)諧波，如電路開關(guān)電源、整流器、變頻器、含有鐵芯的電力裝置、依靠電弧運行的電力設(shè)備等。

4.2 諧波危害

4.2.1 對電力設(shè)備造成危害

在廣播電視工程內(nèi)電力設(shè)備運行期間，設(shè)備容量及負(fù)載量會出現(xiàn)不匹配問題，進而產(chǎn)出諧波電流，諧波會導(dǎo)致部分電力設(shè)備出現(xiàn)不同程度的損壞。在廣播電視工程具體運行期間，諧波會引發(fā)嚴(yán)重的電力設(shè)備故障［3］，導(dǎo)致電力設(shè)備關(guān)閉，運行功率受到不利影響。在諧振電壓增大的情況下，諧波電流量也會持續(xù)增長，使廣播電視工程中的電力設(shè)備難以實現(xiàn)安全、可靠的運行，信息傳遞質(zhì)量下降。

因國內(nèi)許多廣播電視企業(yè)在沒有重視諧波處理工作的情況下，電力設(shè)備安全故障發(fā)生概率較高。以某企業(yè)為例，在其建設(shè)廣播電視工程過程中應(yīng)用了大量的變頻裝置，變頻裝置始終處于長時間的高負(fù)荷運行狀態(tài)，更新速度緩慢，電路中的電容量更大，電容補償過程中的電壓值與諧波電流出現(xiàn)沖突，使電力設(shè)備難以實現(xiàn)正常運行目標(biāo)。

4.2.2 使電氣設(shè)備功率下降

廣播電視工程電氣設(shè)備運行期間，不可避免地會產(chǎn)出諧波，而諧波產(chǎn)生數(shù)量并不相同。在現(xiàn)有技術(shù)支持下，不同設(shè)備需要配合使用適宜的諧波治理技術(shù)。設(shè)備產(chǎn)生的熱量損失較多，功率損失會進一步增加電力設(shè)備運行溫度，導(dǎo)致設(shè)備運行期間的安全性及穩(wěn)定性受到嚴(yán)重危險［4］。在溫度持續(xù)增長的情況下，變電器運行變化較為顯著，故障發(fā)生概率更高，使廣播電視信息傳輸質(zhì)量無法得到根本上保障。

諧波電流流經(jīng)電力設(shè)備時的能耗量增大。其中，電力系統(tǒng)中變壓器可分為三角連接與全星連接方式，不同連接方式對變壓器的影響不同。三角連接方式下的變電器3次及3次以上的諧波會在變電器繞組中形成環(huán)流，環(huán)流后的設(shè)備繞組溫度增高；全星型連接變壓器繞組在以中性連接方式的運行時，內(nèi)部電容量增加，并形成兩次諧波諧振，影響設(shè)備運行功率。

4.2.3 引發(fā)電容器損壞問題

電容器是廣播電視工程重要結(jié)構(gòu)，電容器運行能耗量會影響到電氣設(shè)備使用壽命。電氣設(shè)備會受各類因素影響而產(chǎn)生諧波，使電容裝置結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞問題。由于電力系統(tǒng)運行期間的電壓不穩(wěn)定，電氣設(shè)備運行壽命縮短，諧波產(chǎn)出量持續(xù)增長。在諧波達(dá)到峰值的情況下，電力系統(tǒng)中的電流異常問題將更加顯著，使電容裝置故障發(fā)生概率不斷提升［5］。

5 廣播電視工程無功補償技術(shù)

5.1 濾波器

廣播電視工程中的濾波器由電容電感及電阻組成，通過合理使用濾波器，能夠控制現(xiàn)有電力線路中的不良頻率。濾波器可分為有源線路濾波器與無源線路濾波器，不同濾波器的應(yīng)用優(yōu)缺點及適用范圍不同，需要結(jié)合廣播電視工程電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征，選擇適宜的濾波設(shè)備，控制電網(wǎng)偏差干擾值。

5.2 過濾法

當(dāng)前，廣播電視工程為實現(xiàn)節(jié)能增效目標(biāo)，通常會使用有功補償或無功補償方式消除諧波。在濾波環(huán)節(jié)，需要保障諧波值符合現(xiàn)有工程建設(shè)技術(shù)規(guī)范，通過濾波器開展過濾工作。諧波處理環(huán)節(jié)需要做好諧波處理，并有效控制電力設(shè)備中的相關(guān)電能量。但受各類因素影響，濾波裝置現(xiàn)有運行效果與預(yù)期目標(biāo)存在一定差距，在實際廣播電視工程建設(shè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用并不廣泛。因過濾環(huán)節(jié)會使電力系統(tǒng)中的運行頻率出現(xiàn)不同程度影響，消除儀器頻率值，進而影響廣播電視臺信息傳輸質(zhì)量水平。

因過濾技術(shù)尚未成熟，在當(dāng)前廣播電視里面仍然具備較大的發(fā)展空間，需要相關(guān)技術(shù)人員及研究學(xué)者加大過濾技術(shù)的優(yōu)化及完善力度，確保過濾技術(shù)能夠被有效應(yīng)用在無功補償與諧波治理環(huán)節(jié)。

5.3 無功補償

在廣播電視工程中的無功補償技術(shù)實則就是采用科學(xué)合理方式提高電網(wǎng)的因數(shù)功率，進而降低工程中電路及電壓裝置的運行損耗量，改善廣播電視系統(tǒng)供電環(huán)境。其中，有源電力補償技術(shù)在特定的廣播電視工程建設(shè)環(huán)境中得到了廣泛普及。有源功率補償技術(shù)能夠有效拓展電子信號，并在拓展處理期間保持原有形式，提高信息補償效率，使數(shù)字電視及廣播電視的穩(wěn)定性進一步增強。配合使用無功補償方式還能夠有效整合諧波，實現(xiàn)二次利用目標(biāo)［6］。

6 廣播電視工程無功補償與諧波治理裝置

6.1 無源濾波裝置

廣播電視工程運行期間，經(jīng)常會因停電事故而導(dǎo)致播出工作無法有效開展。為避免設(shè)備運行故障問題出現(xiàn)，需要在電源開關(guān)處加裝UPS裝置。在變頻系統(tǒng)及變頻空調(diào)電路運行時，可使用無源濾波裝置。

無源濾波裝置是一種濾波電路形式，其內(nèi)部由電感器、電容器及電阻設(shè)備組成，構(gòu)成方式就是將電感器及電容電阻組合在一起，消除一次或多次諧波。為最大限度地保障諧波過濾效果，還可以將濾波裝置的電感及電容設(shè)備串聯(lián)在一起。

廣播電視臺會使用大量的大功率脈階調(diào)制、整流開關(guān)設(shè)備、變頻器、計算機設(shè)備，致使電力系統(tǒng)中會產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致電力系統(tǒng)運行期間的穩(wěn)定性及可靠性受到嚴(yán)重的不利影響。因此，需要在無源濾波器使用過程中采取并聯(lián)安裝方式與關(guān)鍵設(shè)備母線連接，進一步增強諧波治理環(huán)節(jié)的經(jīng)濟性及靈活性。

由于無源濾波器補償設(shè)備運行環(huán)節(jié)能夠降低線路的損耗量，控制電磁波不利影響。濾波系統(tǒng)會存在較高次的諧波，節(jié)約電能，補償功率因數(shù)。在無源濾波裝置使用時，可配合使用適宜的電抗設(shè)備，切實保障電力系統(tǒng)安全可靠運行，有效完成廣播電視工程中無功補償及諧波治理任務(wù)。

在廣播電視工程電力設(shè)備投入運行后，諧波監(jiān)測采集數(shù)據(jù)會不同程度反映出設(shè)備運行狀態(tài)，各線路奇數(shù)或偶數(shù)次諧波值。因此，需要做好電抗器、電阻器、電容數(shù)據(jù)的計算工作，根據(jù)數(shù)據(jù)參數(shù)分析結(jié)果，選擇適宜的濾波裝置。在低電壓系統(tǒng)中，并聯(lián)方式能夠充分發(fā)揮出治理諧波的功能，并可作為無功補償主要手段。在基波頻率及諧波頻率下，應(yīng)著重關(guān)注無功電流及阻抗回路吸收諧波等工作，以進一步提升功率因數(shù)。由于一組非線性負(fù)荷電氣系統(tǒng)的容量多大于200kVA，內(nèi)部由整流器、變速傳動裝置組成，實際治理效果更為顯著。

廣播電視工程中的電氣系統(tǒng)需要校正功率因數(shù)，為防止敏感負(fù)荷的電氣設(shè)備受到諧波作用影響，還需要控制電壓畸變與電流畸變量，防止電氣設(shè)備運行環(huán)節(jié)出現(xiàn)過載問題。

為有效降低廣播電視工程因停電現(xiàn)象而引發(fā)的停播事故幾率，還應(yīng)當(dāng)將無源濾波裝置安裝在適宜位置。比如，廣播電臺建設(shè)規(guī)模較小、用電負(fù)荷量較小的情況下，電力負(fù)荷由一臺變壓器產(chǎn)出，電力系統(tǒng)內(nèi)變頻裝置、計算機設(shè)備運行期間的諧波電流差異性更大，對上級電網(wǎng)系統(tǒng)造成一定威脅，因此，需要使用集中治理方式，將無源濾波設(shè)備并聯(lián)安裝在低壓配電柜的母線上。

因無源濾波補償設(shè)備能夠有效控制諧波引發(fā)的電路損耗及干擾量，還可以提升廣播電視工程實際運行期間的電力資源利用率，使補償后的無功因數(shù)能夠切實滿足當(dāng)?shù)毓╇姴块T安全運行要求。

6.2 有源濾波裝置

有源濾波裝置的運行原理主要就是關(guān)斷電力電子器件，將補償電流注入到交流電網(wǎng)中，負(fù)載注入電網(wǎng)與幅度相同的諧波電流，對負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流進行抵消。

在發(fā)射機房內(nèi)的輔助供電方式為兩路380V供電，電壓波動值為±10%。為保障低壓配電系統(tǒng)安全高效運行，需要著重關(guān)注低壓配電系統(tǒng)管理工作，增強電力電子變流器的響應(yīng)速率及可控性。在有源濾波裝置運行環(huán)節(jié)，為使變壓器能夠產(chǎn)生與基波電流方向相反、大小成比例的電流值，應(yīng)當(dāng)做好基波電流的檢測工作。

7 廣播電視工程無功補償與諧波治理建議

為從根本上提升廣播電視工程無功補償與諧波治理水平，需要結(jié)合工程實際情況，明確分析有源濾波裝置及無源濾波裝置的運行特征及優(yōu)缺點。當(dāng)前，大功率注入混合型有源濾波器是國內(nèi)外重要發(fā)展對象，也是諧波治理發(fā)展趨勢，需要著重開展相關(guān)設(shè)備的研發(fā)與推廣工作。

8 結(jié)語

總而言之，廣播電視工程運行水平與大眾生活生產(chǎn)質(zhì)量息息相關(guān)。為延長工程各電氣設(shè)備運營壽命，從根本上降低電力系統(tǒng)故障問題發(fā)生概率，還需要著重分析現(xiàn)有廣播電視工程無功補償裝置不足之處，結(jié)合現(xiàn)有諧波治理目標(biāo)，選擇適宜的無功補償治理方案。當(dāng)前，應(yīng)用在無功補償及諧波治理中的技術(shù)種類較多，還應(yīng)當(dāng)重點剖析不同治理技術(shù)應(yīng)用優(yōu)缺點，不斷優(yōu)化無功補償諧波治理流程。