喇嘛甸油田低壓配電網污染治理應用分析

王洪明 李春陽 喬晶鵬（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

喇嘛甸油田低壓配電網污染治理應用分析

王洪明 李春陽 喬晶鵬（大慶油田有限責任公司第六采油廠）

目前喇嘛甸油田各類型站內數量眾多的變頻設備和補償裝置的投用，向電網中注入了大量諧波，導致電網受到污染，存在機泵超載運行產生附加能耗、控制儀表誤動和拒動、縮短電氣設備使用壽命等安全隱患問題。文中對電網污染問題進行分析，通過應用有源濾波技術結合現場工況的諧波源情況，對電流信號進行采樣，產生與諧波源電流大小相等，波形相反的抵制電流和波形，從而達到抑制系統諧波的目的。大慶油田第六采油廠喇3-4#注入站在治理后，電流諧波達到國家標準，控制儀表和電設備安全穩定運行，年節電約13.5×104k W h，具有良好的節能潛力。

電網污染 諧波 變頻器 有源濾波技術

在三相負荷基本平衡情況下，由于電容器、變頻器和整流裝置等非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比遠小于1，使得引入的非正弦特性電流疊加在主電源上從而產生了大量諧波的，在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，這些奇次諧波導致電網受到污染[1]。

1 電網污染治理技術對比分析

目前國際上治理電網污染源-諧波的主要方法有兩種，一種是無源濾波技術，一種是有源濾波技術。

無源濾波技術主要是通過由電感器與電容器構成串聯回路并聯到電力系統中通過調節電感和電容的參數來濾除諧波。

無源濾波技術要求對每一種頻率的諧波需要使用一組濾波回路，通常需要使用多組濾波回路用以濾除不同頻率的諧波。多組濾波回路的使用造成結構復雜，并且通常的系統中含有無限多種頻率的諧波成份，因此無法將諧波全部濾除，很容易與系統產生諧振，諧振在不同的濾波回路中會互相干擾，同時濾波回路在工作時消耗無功功率，使得無功補償電容器無法投入使用，容易將未濾除諧波電流放大1.8~3.8倍[2]。

有源濾波技術主要是利用電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。見圖1。

有源濾波技術是采集負載電流信號，將其分解成為兩個部分：基波和諧波，控制回路將諧波信號作為控制信號，通過“參考電流計算方法”構建自動跟蹤式正弦波，在電抗器處形成治理電流，治理電流相位和電網電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率[3]。治理電流隨電源通道注入電網，同時不產生新的高次諧波，能連續、動態、無級對總進線進行補償，平衡三相負載，從而使得治理后的系統具有負荷平衡，中線電流小，損耗低的特性，在其額定功率范圍內，原則上能將諧波全部濾除干凈。

綜上所述，有源濾波技術在回路構成、濾波效果和節能降耗等方面均優于無源濾波技術。

2 電網諧波污染現狀及存在問題

目前喇嘛甸油田各類型站121座，安裝變頻343臺，其中集輸系統73臺，摻水系統6臺，注水系統12臺（包括高壓1臺），注入系統252臺，由于數量眾多的變頻設備的投用，導致電網中的諧波含量急劇增加；同時，為了提高配電系統的功率因數，在所有的配電柜中都安裝了無功補償電容器，總補償容量31800k v a r，這些電容器的投用，在諧波存在的系統中加大了電流諧波和電壓諧波，進一步加劇了諧波污染的影響。在對采油六廠13座站電網諧波污染情況進行測試的時候發現，有2座站電壓諧波超標（標準為小于5%），13座站的電流諧波全部超標，超標率平均為96.5%。測試數據見表1。

表1 13座站諧波測試數據表

喇嘛甸油田電網諧波污染存在的問題主要表現為：

1）油田廣泛應用了變頻調速和無功補償等節能新技術，這些非線性負載由于部分設備沒有采取諧波抑制措施或措施應用不當等原因，向供配電網注入大量諧波電流，產生了附加能耗，加速了系統設備老化，引起繼電保護和自動裝置誤動或拒動，甚至造成電氣設備的燒毀。

2）諧波源產生的5次、7次諧波會產生特別高的中線電流，甚至會超過相電流值，導致電器設備使用壽命縮短，電網過熱，甚至可能引起火災；產生高次諧波會對電動機、變壓器等的線圈匝間絕緣造成威脅，導致老化、短路事故，還會對通訊或控制系統造成干擾。

3 電網污染治理應用效果

3.1 現場應用分析

2012年，對試驗大隊喇3-4#注入站電網污染（主要變頻器產生的諧波）進行治理。站內實際生產工況為：注入類電動機13臺，400k VA變壓器1臺，變頻器12套（45 k W的3套，22k W的7套，55 k W的2套）。根據G B/T14549—1993《電能質量公用電網諧波》標準和大慶油田公司節能要求，需要電網中電壓總諧波畸變率小于5%和電網中注入公共連接點的諧波電流允許值均達到國家標準且消除高次奇波（即高于11次的奇次諧波）。

經現場測試站內基波電流為113.7A，電壓總諧波畸變率為4.6%，選擇額定治理電流為120A有源濾波裝置，在0.4 k V處以并聯的方式接入系統。治理前后諧波電流測試情況見表2、表3。

表2 試驗大隊3-4#注入站配電室電源總進線諧波電流測試

表3 試驗大隊3-4#注入站治理后諧波電流測試

通過治理前后數據對比分析，5次至15次諧波電流值均達到國家標準，11次以上諧波基本消除，5次諧波電流值下降了94.7%，7次諧波電流值下降了90.2%。

3.2 節能效果評價

1）減少諧波對電網污染，避免電氣設備附加能耗和網損，預計年節電12×104k W h。

2）減少變壓器銅損和鐵損，提高變壓器使用壽命，預計年節電1.5×104k W h。

3）減少站內自動計量和控制儀表的檢修率，預計年節省運行成本2萬元。

4）提高站內負載（如機泵、變頻等）使用效率，提高運行周期，預計年節省運行成本2.5萬元。

5）提高站內電氣設備安全運行，減少設備檢修頻率，預計年節省運行成本2萬元。

綜上所述，預計年節電13.5×104k W h，年節約運行成本6.5萬元。

4 結論及認識

通過對電網諧波污染治理可以降低配電網由于變頻器、補償裝置引發的諧波含有率，改善了電網的三相不平衡，降低了負載電流有效值，提高了配電線路功率因數，降低了配電網的網損。采用諧波治理措施后，可以保障自控儀表正常運行，減少誤報警次數，同時減少設備故障帶來的維修費用，延長設備使用壽命，減少電氣的安全事故[4]。對所有諧波量超標的站進行電網污染治理，預計年節電1633.5×104k W h，節約運行和后期維護費用786.5萬元，具有很大節能潛力空間。

[1]劉慶偉,劉向東.諧波的危害與治理[J].機械制造與自動化,2011（3）25-27.

[2]周本多,楊圣春,電力系統諧波及其抑制[J].安徽電氣工程職業技術學院學報,2007（1）:16-18.

[3]杜永平,董昌寶.地區電網諧波監測分析及綜合治理[J].安徽電力,2007(4):43-45.

[4]陳振生.電網諧波的危害及抑制技術[J].江蘇電器,2004(1):26-28.

10.3969/j.i ssn.2095-1493.2012.011.017

王洪明，高級工程師，1986年畢業于大慶石油學院，從事節能管理工作，E-mail： wanghongming@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶油田有限責任公司第六采油廠技術發展部，163114。

2012-08-21）