通信供電系統功率因數提高與諧波治理研究

王獻忠，劉練達，郭龍波

（中國人民解放軍96946部隊，北京 100085）

0 引 言

研究表明，在通信站中可產生無功功率和諧波，對系統的通信質量、通信傳輸安全等產生嚴重影響。在通信網絡逐漸擴大的情況下，需要通過分析無功功率和諧波產生的原因，提高功率因數，治理諧波，以保障通信系統穩定、安全運行。

1 無功功率與諧波的產生及其危害

1.1 產 生

在通信供電系統負載中存在較大的阻感負載。供電系統中的變壓器、電動機都屬于阻感負載類型。變壓器、電動機等消耗大量的無功功率，同時電抗器、架空線也是無功功率消耗的主體。供電系統只有使用阻感負載有效吸收無功功率，才能保證系統穩定運行。供電系統中電力、電子等裝置在運行環節需要消耗大量無功功率，尤其是相控裝置。各種裝置應用過程在線路中形成諧波電流，各諧波源需消耗無功功率。應用二極管電路中產生的基波電流與電網中產生的相位電壓基本相同，對基波的無功功率消耗量影響不大，但是其產生諧波電流會消耗定量的無功功率。系統內諧波源主要是各種電力、電子等設備產生的，其中包括變流器、整流器以及變壓器等。在供電系統中，電力、單子等裝置應用數量逐漸增加，導致諧波來源越來越多，對系統的穩定運行產生了重要影響。

1.2 危 害

當線路中存在大量諧波時，會引導熔斷器、繼電保護裝置以及自動裝置等產生誤動，還會對系統相鄰區域通信造成干擾，導致通信系統難以正常工作而影響通信質量。

線路中無功功率會影響線路消耗，當線路中變壓器兩端電壓變化幅度較大時，會對功率因數造成影響，對系統負載造成沖擊，導致線路中電壓波動激烈，影響供電質量。

供電系統中各種元件產生諧波時，可降低設備運行效率和電網輸電效率。同時，諧波的存在還可能對電氣設備穩定工作造成影響，增加了設備電量損耗，發生振動，產生過電壓、噪音等，同時導致變壓器部分位置發熱。諧波還可導致供電系統串并聯諧振，放大諧波，引發嚴重諧振效應造成安全事故。

此外，供電系統中產生無功功率會導致功率因數發生變化。系統中變壓器、發電機、導線以及電氣設備等電流增加，將造成線損增加[1]。

2 提高功率因數治理諧波的重要性

提升供電系統的功率因數，可降低電網電源負荷和線路無功功率。系統中功率因數的大小，直接影響電力系統發電設備、供電設備以及用電設備等的使用效率。提高功率因數能夠提高電路電壓，降低電壓損失，改善電能的傳輸質量。提高功率因數還可減少電網中無功電流流動，進而降低線路、變壓器以及母線等產生的電能損耗，實現節能、降損等運行目標。

在通信系統中，諧波對電網中各種電氣設備影響較大。當線路中產生諧波時，設備過載量較大，發熱、加速老化，還能導致自動裝置發生誤動。因此，為改善通信質量、保證通信的暢通性，應加強對諧波的治理。綜上分析，為保證通信供電系統的穩定運行，提高通信質量，保證電力傳輸通常性，需要提高功率因數，找出諧波治理措施，提高系統運行效率，降低損耗。

3 通信供電系統功率因數和諧波治理措施

3.1 提高供電系統功率因數有效進行諧波治理的意義

有效提升供電系統功率因數能夠降低由線路輸送的無功功率和電網電源側向感性負荷提供的電能，降低電網中無功功率的流動，減少由于輸送無功功率造成的輸配電線路中母線和變壓器過量的電能損耗，有效改善電能質量，從而達到節能降損的目的。

無論是電容器、變壓器還是電動機、發動機，諧波對所有能夠與電網連接的電氣設備都會產生危害，主要體現在會產生諧波附加損耗。諧波污染同樣會使得包括電纜等輸電線路出現過量損耗，同時諧波過電壓和設備過熱過載會使設備產生絕緣老化。因此，有必要進行諧波治理，以起到有效的節能作用。

3.2 提高自然功率因數

自然功率因數本身指的是用電設備自身所自帶的功率因數。該數值的高低水平同設備的負荷率有密切關系。為了能夠有效減少無功功率消耗，提升自然功率因數，可以采用以下兩方面措施。一是合理選擇電機大小，以免出現“大馬拉小車的現象”，并及時更換負載率小于40%的電機。二是正確選擇變壓器容量，以提升變壓器負荷率，并將其維持在75%～80%。該方法本身具有較強的經濟性和有效性，但若是變壓器本身具有容量的季節性變化，將很難進行科學合理的變壓器容量選擇。以中央空調系統為例，它有著較大的單機容量，但空調本身是季節性使用的電氣，若僅使用一臺變壓器，那么若想使得空調在運行過程中不過載，便要盡可能大地選擇變壓器容量。若是空調處于停用狀態，那么變壓器會呈現出輕載狀態，降低功率因數。針對該現象難以通過單純采取提升自然功率因數的方法滿足功率因數要求，需進行無功功率補償以提升功率因數。

3.3 分析兩者的聯系

在諧波環境下使用電容無功補償，可能導致系統產生過電流、串聯諧振以及并聯諧振等問題。為控制以上影響因素，可采用更換設備、優化電網以及更改補償方式等治理措施。綜合考慮下，使用更改補償方式實踐過程的可行性較高。這種治理措施可在電容端串聯電抗器元件、單獨電容器以及電抗電容組合，有效提高供電系統的功率因數，實現無功補償。但是，對比兩種方案，使用電抗電容補償可應用于諧波環境，保護電容器，防止產生諧振問題。純電容器的應用優勢為結構簡單，成本投入較小。實踐應用環節，若從節約成本方面考慮，使用純電容器控制系統中的功率因數，需要先治理諧波。當系統處于諧波環境下運行時，需要將電抗器和電容器串聯在電路中，從而保證系統運行過程的安全性。

3.4 使用補償電容器

控制通信供電系統功率因數，可使用無功補償電容器，將其并聯在電路中。供電系統中，異步電動機為主要負載，其中多數電氣設備電路可視為電感和電阻串聯電路。功率因數計算公式為：

電路中接入補償電容器后，電壓、電流相位差減小，此時供電電流相位大于電壓，這種現象為“過補償”。使用過程應控制“過補償”出現的概率，以免變壓器端產生較高的二次電壓。同時，無功功率存在于電力線路會加劇電能消耗。測試線路電壓也會相應升高，導致電容器溫度升高，功率損耗增加，影響使用壽命。

計算補償電容器容量時，需結合補償方式、負載情況以及連接方式等要求，使用集中補償、分組補償等。容量計算公式為：

式中，P為系統最大有功負載，β為平均負載率，φ1為無功補償前功率因數角度，φ2為無功補償后功率因數角度。結合電容器容量需求，需合理選擇連接方法。

3.5 使用濾波器

濾波器是電抗器、電阻器以及電容器共同組合形成的濾波裝置，與諧波源并聯連接在供電系統中，以滿足系統的濾波要求，同時符合系統對無功補償的相關要求。濾波器的使用主要是根據諧振原理。當諧振次數為N時，計算公式為：

濾波器對諧波的阻抗計算為：

在諧振位置，有：

由于Rfm值較小，因此n次諧波的電流被Rfm分流，控制電網中的諧波電流流入。針對其他諧波產生過程Zfm＞Rfm，在濾波器中存在的分流較少，此時只需將諧振次數設置和諧波濾除次數一致，即可將此次諧波分流到濾波器，以消除諧波[2]。

4 案例介紹

4.1 案例背景

某通信站系統400 V低壓存在諧波電流，設置低壓電容補償設備過程沒有將諧波影響考慮其中，導致進線產生的諧波電流過大，電容器出現損壞問題。同時，電力諧波對交通通信、BAS系統、FAS系統以及AFC系統設備產生干擾，為保證通信站供電系統安全，需要改造無功補償裝置。

4.2 系統改造方案

在通信站低壓變電站中，400 V母線位置分別設置無功補償裝置和濾波器，優化無功補償和諧波治理方案。使用干式電容器、接觸器、電抗器以及補償控制器組成補償裝置，在系統中串接電抗器，并將調諧濾波器分段設置，同時使用空氣自動投切濾波器，達到無功補償標準。使用三相四線并聯濾波器，組成補償回路、電路跟蹤、電流計算以及電源系統。在無功補償、諧波治理等參數選擇方面，結合補償容量、（電容/電抗）器過載性能以及濾波器容量進行綜合計算。

4.3 實現過程

在400 V通信系統中設計了多段有源濾波器和調諧濾波器，以提升系統的無功補償功率因數，保證諧波治理效果。結合通信配電系統中諧波的分布特征，設計過程控制諧波諧振點，吸收諧波產生的非線性負荷電流，同時使用補償裝置阻抗牽引系統中存在的高諧波，防止系統中流入大量諧波電流。結合通信站變電站降壓負荷，設計無功補償容量。使用控制器實現系統電容器自動投切，通過微調功能完成無功補償，實現了系統運行時功率因數的穩定性。在400 V母線系統中設置補償容量為180 kvar，并劃分成6個自動投切組，結合系統運行要求，使用微調方式進行無功補償。雖然此系統中安裝的無功補償裝置能夠控制濾波，但是無法達到治理要求。對此，在系統中并聯設置有源濾波器，吸收通信電力系統產生的各種諧波產生反向諧波分量，從而有效抵消諧波[3]。

5 結 論

在通信供電系統中，使用無功補償可控制系統的功率因數治理諧波，可提高通信傳輸質量。在電力系統負荷逐漸增加的環境下，針對產生的諧波應采取合理的治理措施。為避免系統運行過程產生諧振問題，需要將電抗器、電容器共同串聯在電路中，實現對無功功率的補償和諧波治理，降低系統能量消耗，提高通信電力系統的運行效率。