油田電網諧波的危害與抑制

劉 巍 陳瑞寶 韋 濤

（中海油能源發展采油服務公司渤中FPSO作業公司，天津塘沽，郵編：300457）

1.諧波的來源

目前油田大的用電設備主要就是一些大的電機，例如:貨油系統的液壓油泵、主海水泵、生產水增壓泵、注水泵等等。井口平臺上的設備主要就是平臺注水泵和電潛泵。所以油田電力的主要用戶就是電機。電機在正常情況下是不會產生諧波的，但是隨著油田越來越多的使用新的產品，而現在許多產品大量的使用了電力電子技術，使油田出現了很多非線性設備。所謂非線性設備就是指在正弦供電電壓下產生非正弦電流或者在正弦供電電流下產生非正弦電壓的設備。這些非線性設備就是我們的諧波源，目前海上諧波源大量存在，下面是兩個例子。

1.1 整流橋

由于海上很多負載需要用到直流電源，但是海上發電機發出來的電是三相交流電，所以我們需要一個將交流電轉化為直流電的辦法，整流橋就是起這個作用的。下面是整流橋的工作原理圖：

下圖是個三相橋式全控整流電路：

左側是三相交流電源，經過一個電力變壓器后到達整流橋，整流橋是由六個晶閘管組成，進入整流橋之前的波形如下：

其中Uu，Uv，Uw分別為變壓器副邊的三相電壓，當三相交流電經過整流橋后我們在整流橋兩端也就是負載兩端得到下面的電壓：

從圖中我們可以看到，整流橋輸出的是一個直流電壓但是含有大量紋波，如果把這個電壓Ud分為直流分量和交流分量的話,直流分量在上圖中已經標出，而交流分量如下圖

紋波分量

而這個紋波分量就是我們通常說的諧波的一種。上面說的只是全控橋帶電阻負載，并觸發角為零時的情況，我們再看看當觸發角不為零時的波形：

原波形與觸發角：

輸出電壓：

可以看出此時電路輸出的電壓電流全部非正弦，并且畸變很大。

整流只是電力電子技術中最基本的諧波源，與之相對應的逆變產生的諧波遠比之多，由于過程比較復雜，在此不詳細說明。在油田的設備中，用到這個電路或類似電路的很多很多，包括UPS、一變多控系統和所有與變頻相關的都會用到整流與逆變，他們帶的負載越大，產生的諧波所占總電量的比例就會越大。

1.2 電力變壓器

目前油田電力輸送的核心就是電力變壓器，其能量傳遞過程就是原邊線圈中的電流在鐵芯中產生交變磁場，這個交變磁場在副邊線圈中再產生交變電流，這樣就完成一個電到磁，然后磁到電的轉換。而且原邊與副邊電流的頻率和波形應該基本一致，改變的只是電壓與電流。以上說的均屬于理論情況，在實際工作中，變壓器有兩點會產生諧波一是漏磁，二是磁飽和。

漏磁就是由于制作工藝上的缺陷，導致原邊線圈產生的磁通并不是所有的都穿過鐵芯進入副邊線圈，有一部分在空氣中形成的磁回路，這就導致能量在傳遞過程中發生了損失，而且使本來為標準正弦波的電流傳遞到副邊后變得不正弦。這方面只有不斷的改進制造工藝來較少它，但是根本消除幾乎不可能。

另一方面是鐵磁材料的非線性。通電線圈在鐵芯中產生的磁場并非完全線性，其曲線如下圖所示:

圖中H為磁場強度，B為磁感應強度，H與電流I成正比，所以上圖也能反映磁感應強度與電流的關系。當電流較小，鐵磁材料中磁感應強度與電流基本是正比關系，但是當電流比較大，使鐵磁材料工作在非線性區，那么鐵芯材料內的磁感應強度將不會與電流成線性關系，那么當原邊通過正弦交流電流時，在鐵芯中的磁通并非正弦，這個磁通在副邊感應出來的電流更加不是正弦，如下圖：

由圖中可以看見由于導磁材料的非線性，導致變壓器輸出電流的嚴重畸變。

2.電網諧波的危害

油田供電系統中的諧波危害主要表現在以下幾個方面。

2.1 增加附加損耗降低設備性能

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻電流流過導體時，因集膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗、電能損耗，使導體的發熱嚴重，降低設備的效率和利用率

（1）對旋轉電機的影響

諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產生的附加損耗增加。在供電系統中，用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。因此，諧波使電力用戶電動機總的附加損耗增加的影響最為顯著。由于電動機的出力一般不能按發熱情況進行調整，由諧波引起電動機的發熱效應是按它能承受的諧波電壓折算成等值的基波負序電壓來考慮的。試驗表明，在額定出力下持續承受為3%額定電壓的負序電壓時，電動機的絕緣壽命要減少一半。因此，國際上一般建議在持續工作的條件下，電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的2%。

諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大，但諧波會產生顯著的脈沖轉矩，可能出現電機轉軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發電機的轉子元件發生扭振，并使汽輪機葉片產生疲勞循環。

（2）對變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器時，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

（3）對輸電線路的影響

由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路的阻抗隨著頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應電網的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網網損增大。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，它們與產生諧波的設備組成串聯回路或并聯回路時，在一定的參數配合條件下，會發生串聯諧振或并聯諧振。一般情況下，并聯諧波諧振所產生的諧波過電壓和過電流對相關設備的危害性較大。當注入電網的諧波的頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區內時，會激勵電感、電容產生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現誤動，以至損壞設備，與此同時還可產生相當大的諧波網損。對于海上的電力電纜線路，由于電纜的對地電容比架空線路約大10-20倍，而感抗約為架空線路的1/2-1/3，因此更容易激勵出較大的諧波諧振和諧波放大，造成絕緣擊穿的事故。

（4）對電力電容器的影響

隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數增大、附加損耗增加，從而容易發生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。

2.2 影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性

諧波對電力系統中以負序（基波）量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序（基波）量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾則會引起發電機負序電流保護誤動（若誤動引起跳閘，則后果嚴重）、變壓器的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發生誤動，嚴重威脅油田電力系統的安全運行。

2.3 干擾通信系統的工作

電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。通信系統少不了的換流設備和UPS設備本身是很嚴重的諧波源，這類設備產生的諧波頻率一般在3-10KHz之間，該頻段的諧波必然會干擾載波通信的正常工作，由此產生的干擾電壓將會嚴重影響通信線路的通信質量，甚至于在某些情況下還會造成通信線路的中斷等嚴重后果。

2.4 對用電設備的影響

諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發生波動變化，并使機內的元件出現過熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤。對于帶有啟動用的鎮流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮流器或電容器因過熱而損壞。海上燈管損壞頻率如此之高應該也有這方面的原因。

2.5 諧波對整流器件的影響

任何一種整流裝置在整流的每一導通和換相過程中都會產生電壓的突跳，從而形成大量的各次諧波存在，是公認的最大的諧波源。這些諧波在給整流設備、電抗器、整流變壓器帶來過熱、振動和噪音的同時，造成的電能損耗是很大的。

2.6 諧波對各類蓄電池充電設備的影響

海上UPS中的蓄電池一個普遍現象就是使用一段時間后蓄電池的蓄電量會大大低于原出廠標定值，有些生產這類蓄電池的廠家也會由于出廠電池達不到設計值而想盡辦法。其實真正的原因就是在蓄電池的充電過程中電源中由于整流、換流等非線性的原理，使諧波的含量很高，不但使各類蓄電池的極板表面嚴重氧化而充電不足，而且使充電過程中的電能的浪費達到驚人的程度。浪費電能還只是小的問題，損壞電池，使UPS在關鍵時刻效力降低才是大的問題。想像一下，如果在失電后主機還沒啟動前電池電量耗干了會出現什么情況！而且損壞的電池對環境的破壞也是不容忽視的，這與公司的HSE理念是背道而馳了。

3.諧波的抑制

對于電網諧波的抑制，可以從減少和消除諧波兩方面來做，以便將諧波控制在限定值以內。

3.1 降低諧波源的諧波含量

我們可以在諧波源上采取措施，最大限度避免諧波的發生。這種方法是從根本上提高電源質量，更能節省因消除諧波影響而支出的費用。具體方式是：

3.1.1 增加整流器的脈動數

整流器是油田電網中重要的諧波源，增加整流脈動數，可平滑波形，減少諧波。例如當整流相數為6相時，5次諧波電流為基波電流的18.5%，7次諧波電流為基波電流的12%，如果將整流相數增加到12相，則5次諧波電流可下降到基波電流的4.5%，7次諧波電流下降到基波電流的3%。下面將單相整流波形與三相整流波形做一下比較。

單相整流：

三相整流：

從圖中可以明顯的看出三相整流比單相整流產生的諧波更少。如果進一步將三相電流通過變壓器移相得到六相電流再整流的話，將會使諧波更少。下面是十二相整流電路圖

如上圖。十二相整流器電路是由△/△/Y接法兩個三相橋式整流電路疊加而成的。對負載而言，兩組整流臂相串聯。三角形繞組的線電壓ea1b1、eb1c1、ec1a1分別與星形繞組的相電壓ea0、eb0、ec0同相，星形繞組的線電壓eab、ebc、eca分別比三角形繞組的線電壓超前30°。十二相整流器的工作原理與三相橋式整流器基本相同，工作中總有四個整流管串聯導電，其波形如右上圖所示。

圖中，星形接法線電壓ea1b1超前三角形線電壓ea2b2相位30°，故兩組整流器合成的直流輸出電壓的紋波頻率相應提高了一倍。最后輸出的直流電壓紋波相比3相又能減少很多。這種電路優缺點如下：

●輸出電壓紋波小，可使濾波器簡化；

●十二相整流電路可同時有三種電壓輸出：全壓 Uo，半壓 Uo/2和 Uo/4；

●整流元件比三相橋式電路多一倍；

●整流變壓器結構復雜

雖然這種方法能減少諧波，但是目前我們油田還沒有使用這種電路，主要是因為如果為了這些整流電路單獨配一個這種整流變壓器的話，成本有點高，而且船上面積有限，要單獨給這種變壓器騰出地方來還是有點不太劃算。因此現有的UPS和變頻器都是與其他負載共用變壓器的。

3.1.2 變壓器接法

變壓器采用星型——三角形接法或三角形——星型接法，可消除3的倍數次的高次諧波，比如9次諧波。目前油田變壓器也大都是這種接法。

結論：雖然從諧波源處減少諧波是最根本也最直接的方法，但是可以看出這種方法性價比太低，不適合我們油田使用。既然在減少諧波源上我們無能為力，只有當諧波出來后我們再想辦法消除它了。

3.2 在諧波源處吸收諧波電流

這是對已有的諧波進行有效抑制的方法，是目前油田電力系統中使用最廣泛的抑制諧波的方法。主要有以下幾種方法。

3.2.1 無源濾波法

無源濾波法即是將電感、電容和電阻串聯構成諧振回路并入電網，當LC回路的諧振頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時，即可阻止其流入電網。有些平臺裝有無功補償裝置，其LC電路部分如下圖：

這個系統一共有7組電容器組，電容器組包含了電容器和電抗器，其采用投切開關組對電容的投入進行控制，當系統處于自動模式時，系統中的檢測裝置會自動檢測電網參數，當電網質量不夠好時就會控制開關模塊對電容器組進行投切，同時也將電抗器也就是電感元件投入到電網。投切開關采用的是晶閘管和二極管，由觸發電路來控制開關的導通。此系統能補償的無功是可以隨投入電容器組的組數而改變的，但是對于諧波的濾除卻只能針對固定頻率，因為電路里電感和電容的阻抗是一定的。對于這個系統，我提出一個改進辦法可以提高此系統對諧波的濾除作用，大致如下圖：

由于系統中諧波一般為奇次諧波，并且危害最大。所以我們可以將系統中的7組電容器組的固有頻率分別固定在3次、5次、7次……，或者根據電網實際情況，在比較嚴重的頻率多加一組，比如3次和5次。這樣我們就能有針對性的對危害比較嚴重的頻率段的諧波進行控制而不是只對某一個或許并不是最需要抑制的頻率進行抑制！并且系統并沒有喪失無功補償的特性，只需要適當調整電容和電感的容抗和感抗就行。

有些無功補償系統中有調諧濾波器,其也是無源濾波的一種。其主要電氣元件就是電感和電容，這兩個器件的參數可以改變，方案如下圖，方案的關鍵是濾波器內部有一個參數可控的器件，數字調諧的“控制碼”通過“控制器”控制這個器件，例如通過控制壓控元件、變容二極管的參數，改變了濾波器的整體參數，從而改變濾波器的中心頻率，達到數字調諧選頻濾波的目的。

總結以上兩種平臺所用的無源濾波裝置，我們發現無源濾波有以下優缺點：

●技術比較成熟，有成熟的產品可以用。

●原理比較簡單，易于實現

●濾波頻段比較窄，只能對特定的頻率進行濾除，濾波效果較差

●由于是LC回路，容易在電路中產生諧振，使諧波被無限放大，致使損害電氣設備特別是電容器。

雖然有諸多缺點，但是由于有現成產品可以購買，并且可以同時實現無功補償，所以目前油田仍然采用的是這種方法來濾波，想要克服無源濾波的缺點，我們可以采用一種更先進的方法，那就是有源濾波！

3.2.2 有源濾波法

有源濾波器（APF）就是利用可控的功率半導體器件向電網注入與諧波電流幅值相等，相位相反的電流使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。這種方法可以說是以毒攻毒，由一個諧波源來抑制電網諧波，使總諧波得到消除，如果能精確地控制注入諧波，達到無差拍控制，那么這個方法理論上能達到電網零諧波。目前我們油田還沒有用到這項技術，但是隨著這種技術不斷的成熟，我們可以考慮引進它，來確保電網的穩定。下面簡述這種方法的具體實現。

APF的工作原理是，經指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，該指令信號經過補償電流發生電路產生補償電流，從而將負載電流中的諧波和無功電流抵消掉，最終得到期望的系統電流。，其流程圖如下圖所示：

非線性負載產生的含有諧波的負載電流為，根據傅立葉級數可以將其展開為：由（1）式可知，負載電流包含三個部分：基波有功電流ilp，與系統基波電壓保持同相位ilq；無功電流ilp，與基波有功電流正交 ih；諧波電流il。

如果要使負載電流功率因數為1且無諧波，則APF輸出的補償電流既包含與無功電流ilq大小相等，也包含與諧波電流ih大小相等，方向相反的分量。若APF僅補償諧波電流ih，則補償后的系統電流中只含有基波電流il。

下圖為我們海上船用三相三線制系統中有源濾波器主回路接線示意圖：

開關管一般選擇全控的IGBT，由驅動電路驅動，而驅動信號是根據系統由檢測到的電網數據而產生的相對的補償信號。開關管右側為電容器組，主要作用是產生反相諧波并提供無功功率由開關管來控制其的投入與退出。

根據總電網和各個平臺的實際情況，可以選擇總補償，部分補償和就地補償三種方式來進行補償濾波，如下圖：

●總補償可以在大船低壓盤上接入APF，由于大部分油田低壓盤分別為模塊低壓盤，船體低壓盤以及應急盤，并且模塊與其余兩個低壓盤分開，所以最少需要兩套APF，成本相對較高，并且油田主要的諧波源在平臺，大船的主要問題應該是無功，投入此系統有點浪費，因此不推薦使用這種補償方式。

●部分補償即在平臺低壓盤上接入，此方式可對整個平臺的電網進行濾波和無功補償，比較具有針對性且有一定覆蓋，能達到預期補償效果。

●就地補償即對單個的用電設備進行補償，例如平臺對單口狀況較差的井進行補償用來保護電潛泵，或者對單臺變頻器進行補償。此方法針對的是平臺上最主要的諧波源但是覆蓋面較小，如果預算比較少且平臺其它設備線性度和功率因數都比較理想的情況下，那么這種方法是既經濟又實用的。

綜合以上三種方式可以看出，部分補償具有較強的優越性，其地點選擇在平臺，能對平臺的諧波和功率因數均起到改善作用，性價比較高，具有很強的可行性。本文所提到的有源濾波器不僅能濾除諧波，更能補償無功，兩方面的效果都很理想。

4.海上電網現狀與推廣前景

目前關于電網消諧油田還沒有專門的設備，只是在無功補償系統附帶有無源濾波，但是由于無功補償系統本身也是個諧波源，并且無源濾波又有濾波頻率單一且有可能引起電網諧振這兩個致命的缺點，因此其濾波功能相當有限。

本文提出的解決辦法是采用有源濾波。隨著當今電力電子技術的發展，有源濾波已經不是簡單的只有消諧功能，而是能實時的將電網中的不利因素全部抵消，使電網能達到基本無諧波并且功率因數也比較理想的狀態。電網諧波和無功功率同屬于電能質量的問題，有源濾波能將兩個問題合二為一來解決，并且兩方面的效果都比較理想，這對我們節省支出非常有利。

但是由于現在各個平臺已經投入了無功補償系統，如果再單加一套濾波裝置顯得有些浪費并且平臺的MCC間也都沒有多余的地方能放下另外一臺設備，因此我考慮的是當現有的補償系統已經不能滿足需要或者陳舊了要更換另外一套時再引進有源濾波的設備，到那時有源濾波技術比現在要更成熟一些，性能也會更加的穩定。雖然諧波危害很大，如果加裝的有源濾波器由于不穩定使電路發生諧振，那將是得不償失的，盡管它比無源濾波產生諧振的可能性小得多。

另外，理論上講，有源濾波器不僅能濾波，還能補償無功使功率因數接近1，這是非常理想的情況。但是據了解由于我們油田采用的是原油發電機，其額定功率因數為0.8，當發電機所發電的功率因數為1時，原動機油耗將會大大增加，并且，當發電機運行在功率因數約為1時，發電機組解列的可能性也大大增加（諧振解列的可能性也大大增加）。因此，適當的補償無功是有利的，但是如果過度補償，使發電機離額定參數較遠，則是非常危險的。目前我們油田發電機的平均功率因數為0.85左右，這就是一個非常合理的值。如果考慮再增加濾波裝置時我們可以調整算法，使其只消除諧波但是不提供無功，這也體現了有源濾波裝置在油田運用中的靈活性。

5.結束語

電網諧波歷來就是電力系統中難以根除的頑疾，其危害甚大，但是我們只要能將其控制到一定范圍以內，保證其所造成的危害達到最小，那么我們的目的就已經達到。

[1]郝江濤 劉念 幸晉渝 薄麗雅 陳卓 電力系統中間諧波的來源及危害 《四川電力技術》2005第2期

[2]郎維川 供電系統諧波的產生、危害及其防護對策 《高電壓技術》2002第6期

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