基于加速器的諧波治理

崔慧東

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 概述

加速器是使帶電粒子加速的裝置，現廣泛應用于非破壞性金屬探傷、放射性同位素制造、放射性醫療等領域，加速器是由英國科學家于1919年發明，1955年由中科院原子能所建成我國首臺質子靜電加速器，之后數十年快速發展，并破除國外技術壟斷，如今在一般工業、核工業領域形成了一批由國內企業主導的加速器品牌。無源濾波器最早是于上世紀初由美德兩國科學家發明，并與上世紀中葉技術趨于成熟。我國對無源濾波器的廣泛使用始自20世紀50年代后期。時至今日，濾波形式多種多樣，并發展出更趨完善的有源濾波裝置，但無源濾波器依然被廣泛使用，另外隨著保護裝置的智能化進步，無源濾波過去的部分缺陷被明顯弱化。加速器配備濾波裝置是從工業用電狀況出發，考慮工業領域存在大量諧波源，一方面是為減少諧波對加速器的影響，為加速器提供良好的工作環境；另一方面是一定程度的減少工業車間的電能損耗與諧波污染。

1 諧波影響

諧波源一般有如下四種：電力電子器件、變壓器、變頻設備和其他負載。而諧波對電網及用電設備的危害主要在于：

1）使公用電網中的設備產生附加的諧波損耗，降低發、輸電及用電設備的使用效率，增加電網線損。在三相四線制系統中，零線會由于流過大量諧波電流而過熱，部分情況甚至引發火災。

2）超標的諧波將增加設備及導線的選型難度。導線與中性線根據諧波含量計算截面，當諧波含量超過33%時將按中性線選擇截面，并導致導體截面過大。用電設備會因諧波干擾而使靈敏度降低，高次諧波含量較高的諧波電流會降低斷路器的開斷能力，影響保護裝置的正常動作或誘使保護設備誤動作。測量儀表也會由于諧波干擾而失真。另外諧波也會促使設備過熱及絕緣老化，降低設備的使用壽命。

3）諧波易使電網與補償電容器之間產生諧振，諧振能將諧波電流放大數倍甚至數十倍，進而形成過電流，燒毀用電設備，嚴重時甚至引起電容爆炸，形成安全事故。

4）諧波對電力通信設備也同樣具有巨大的干擾影響，易生成“噪聲”，嚴重時致使通信設備無法工作。

5）對于加速器設備，由所帶負載引起的諧波會影響工作區其他設備的正常運行，而工作區內其他設備所引起的超標諧波也會使加速器運行失常。

因此，消除諧波無論對于電網正常運行還是用戶側用電設備的可靠運轉，都具有重要的意義。而在選擇濾波方式時，可根據供電網或設備的諧波次數、功率大小，以及經濟情況，選用有源濾波或無源濾波等方式。

2 諧波管制標準

為保證電網和用電設備的安全、穩定、經濟運行，目前許多國家、國際組織以及一些大型電力公司都制定了相應的諧波標準。我國現行諧波治理標準為GB/T14549-93《電能質量 公用電網諧波》。其中，諧波電流允許值如表1所示。

3 治理方式

減小諧波影響的技術措施主要有加裝有源或無源濾波裝置、增加換流裝置的脈動數、在用戶進線處加裝串聯電抗器、改善三相不平衡等方法。在對加速器設備進行長期的諧波檢測后，發現其諧波主要集中在3次與5次諧波，三次諧波電流含量在一般負載情況下可以達到73%，五次諧波電流含量可達55%。其中，實驗帶載條件下120Hz重復頻率時電壓波形如圖1所示。150Hz重復頻率時電壓波形如圖2所示。

表1 諧波電流允許值

圖1 120Hz重復頻率時的電壓波形

圖2 130Hz重復頻率時的電壓波形

由此，可根據經濟性原則采用無源濾波方式。加速器在有無功補償裝置的作業環境中，應在補償電容器一側加裝12%～13%的串聯電抗器。在沒有無功補償裝置的系統中，也可采用無源濾波裝置抑制諧波，同時兼顧動態無功補償作用。

加速器供電電源為相電壓220V標稱電壓，串聯電抗器可用于400V，600V的低壓系統，且電抗器應能在工頻加諧波電流不大于1.35倍額定電流下長期運行，并按國家標準將噪聲控制在45dB以內。

串聯電抗器可分三類：

1）限流電抗器，電抗率一般小于1%。

2）失諧或消諧電抗器，用以抑制無功補償電容器引起的諧波放大。

3）調諧或濾波電抗器，既可以抑制無功補償電容器引起的諧波放大，又具有較強的諧波電流分流作用或濾波作用。當采用調諧電抗器時，電容器亦應采用濾波電容器。

無源濾波是由濾波電容器和電抗器串聯構成一個或多個串聯諧振濾波支路，分別諧振于需濾除的主要諧波頻率，各濾波支路均與諧波負載并聯，對負載諧波電流構成分流支路，需要濾除的諧波電流絕大部分被引流至分流支路。并且，分流的諧波不會重新回到主電路中。對于工頻基波電壓，無源濾波器等同于補償電容器，可補償系統所需無功功率。

無源濾波主要有如下方式：

1）單調諧濾波器；

2）雙調諧濾波器；

3）雙調諧帶高通濾波器；

4）二階高通濾波器；

5）三階高通濾波器；

6）C型阻尼高通濾波。

其中單調諧濾波器、二階高通濾波器以及C型阻尼高通濾波器較常用。單調諧濾波器主要針對諧波電流較大的低次諧波，二階及C型阻尼高通濾波器主要應用于濾除高次諧波。各種濾波方式具體接線如圖3所示。

圖3 濾波器常用接線方式

本段僅對單調諧濾波進行分析計算，其他接線方式分析方法類似，同時應根據不同環境，對不同接線方式靈活運用。

圖3（a）中電容器容量計算公式為：

其中，U為系統相電壓有效值，In為系統該次諧波電流有效值。

進而計算電容：

其中，ω為系統基波角速度，U為電容器額定電壓。

再根據C和支路諧振頻率計算電感L的大小：

其中，n為諧波次數。

根據濾波效果選取濾波支路品質因數Q，一般Q選取范圍是30～60，假設電抗器電阻為RL，則需要加的電阻器R的大小為R=n×ω0×L/Q-RL；考慮到散熱以及成本問題，在濾波效果滿足要求的情況下，也可以不加電阻器。通常，一個調諧支路只能濾除單一頻率的諧波電流，所以，當需要濾除多次諧波時，應采用多個調諧支路，分別消除各目標諧波。

4 濾波保護

無源濾波器的工作原理是計算零阻抗、實際環境低阻抗情況下的諧波分流。因此其工作效果將受到電網系統諧波阻抗大小的影響，當系統諧波阻抗較小時，濾波效果較差，當濾波器容量較小時，濾波器諧波阻抗較大，濾波效果同樣不理想。另外，還需計算電網阻抗和濾波支路的等效并聯阻抗，檢驗是否會在特征頻率下發生并聯諧振。同時，進行電力潮流運算，仿真濾波器失諧情況下的濾波性能。

因調諧支路中串聯了電感電容等非線性器件，為保證主電網的正常安全運行，需要對調諧支路進行保護校驗。首先，保護設施應能支持連接和斷開電容器組時發生的瞬態電流，熱磁和電子跳閘裝置的瞬態保護裝置也不會因浪涌電流而跳閘，部分情況下，可采用壓敏電阻器抑制浪涌電流。其中，浪涌電流是電容器投切時所引起的瞬時過電流，而過電壓的大小則取決于電容器所提供的無功功率及其安裝位置。其次，保護設施應支持因電壓諧波和額定電容值公差引起的周期性或永久性過電流。

對補償裝置，當電容值超過0.5μF，功率超出0.5Kvar的所有電容器不管其電源電壓類型，都建議采用放電電阻，根據《并聯電容器裝置設計規范》GB50227，低壓電容器放電剩余電壓應不大于50V，放電時間不大于5s。電容器組放電電阻阻值應按式：

計算，當電容器組三相星形接線時，K值可取1/3。其中R為放電電阻，t為從1.414倍Un到Ur放電時間，約為180s，Un額定電壓，Ur允許剩余電壓，約為50V，K為相關系數，C為電容。

校核調諧支路各器件的額定電壓、額定電流及無功功率的公式如下。

其中，c1，ch、cn依次為基波、諧波和額定值。

當供電交流電壓源中的某次諧波與調諧支路中的串聯諧振頻率相近，可能放大諧波電流，引起干擾和過流，并損壞電網器件，而如果有非線性負載產生的諧波電流流入并聯諧振電路，則可能產生過電壓。因此，必須確保電網的諧振頻率盡可能與出現的諧波頻率不同。一般是調整調諧支路中的電抗器，電抗器的規格應確保諧振頻率低于電網中諧振電壓的最小頻率。即符合下式：

其中，Xc1為基頻處電容器容抗，XL1為基頻處電容器串聯的電抗。

5 結束語

無源濾波器相對有源濾波裝置結構簡單，濾波效果顯著，性價比良好。不足在于只能針對某次或某幾次諧波進行濾除，無法動態跟蹤系統諧波變化而自動調節。基于加速器的無源諧波濾除裝置，更多是應用于具有大型負載且精度要求不高的工業車間，并根據具體負荷情況進行設計，可運行在較為復雜和惡劣的環境下。同時，在面向工業探傷、輻照消毒等細分領域，基于加速器的濾波市場前景巨大。另外應市場需求，相關產品目前正在積極研制過程中。

[1]任元會,卞鎧生,姚家祎.工業與民用配電設計手冊（第三版）[M].中國電力出版社.

[2]JGJ16-2008.民用建筑電氣設計規范[S].中國建筑工業出版社.

[3]GB/T14549-93.電能質量 公用電網諧波[S].中國標準出版社.

[4]GB50227-2008.并聯電容器裝置設計規范[S].中國計劃出版社.