基于馬鋼CSP項目的間諧波及濾波裝置的分析探討

程 磊

（馬鋼股份有限公司技術(shù)改造部，安徽馬鞍山 243000）

引言

由于交流電機比直流電機具有較多的優(yōu)點。因此，鋼鐵企業(yè)中逐漸采用交流調(diào)速裝置取代直流調(diào)速裝置。而交流調(diào)速一般采用交—直—交變頻器或交—交變頻器。這些變頻器在工作時，不僅產(chǎn)生諧波（一般指頻率為基波頻率的整數(shù)倍的諧波），而且產(chǎn)生間諧波（一般指頻率為基波頻率的非整數(shù)倍的諧波，又稱次諧波）［1］。

間諧波及其影響是廣泛存在的。間諧波除了諧波具有的一般危害外，還會引起電壓波動、閃變、系統(tǒng)電壓零點偏移等危害。另外，無源濾波裝置與間諧波容易互相作用，導(dǎo)致間諧波被放大，危害濾波裝置及其它設(shè)備。因此，在有間諧波的場合，裝設(shè)無源濾波裝置時，需要防止間諧波被放大而引發(fā)的次生危害［2］。

針對馬鋼CSP 項目中交交變頻裝置產(chǎn)生的諧波、間諧波及其濾波裝置做一個簡要分析。

1 變頻調(diào)速裝置產(chǎn)生的諧波及間諧波

晶閘管交流調(diào)速裝置工作時，不但產(chǎn)生諧波，而且產(chǎn)生間諧波，產(chǎn)生的諧波和間諧波頻率fn不僅與輸入頻率f1有關(guān)，而且與輸出頻率f0有關(guān)，諧波與間諧波的頻率fn可以表達為：

式中：k，m——取值為非負整數(shù)，即0，1，2……；

p——輸入脈動數(shù)；

L——輸出脈動數(shù)，它是一個和變頻器負載相數(shù)有關(guān)的系數(shù)：當(dāng)負載為三相負載時，L=6，當(dāng)負載為單相負載時，L=2；

f1——供電電源的基波頻率；

f0——變頻器的輸出頻率。

可以看出：

當(dāng)m=0 時，fn=（kp± 1）f1，此時fn為f1的整數(shù)倍，即fn為諧波。

當(dāng)m=1，2……時，f0一般根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要，在0～f1之間變化，此時fn通常不是f1的整數(shù)倍，而是非整數(shù)倍，因此它是間諧波。但是，當(dāng)f0為某些特殊值時，部分間諧波也表現(xiàn)為諧波的形式。

例如，當(dāng)L=6，f0=f1/ 6 時，fn=（kp± 1）f1± Lmf0=（kp± 1）f1± mf1=［（kp±1）± m］f1，此時fn也是f1的整數(shù)倍。

又如：k=1，p=6，L=6，m=1，f0=f1/6 時，fn=［（6 ±1）±1］f1=4f1或6f1或8f1。

2 間諧波的影響

由于間諧波的頻率不是基波頻率的整數(shù)倍，因此它與基波不同步，這樣就導(dǎo)致它對系統(tǒng)的影響更多，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 引起電壓波動和閃變

由于諧波頻率是基波頻率的整數(shù)倍，因此，當(dāng)諧波電壓（電流）和基波電壓（電流）的數(shù)值不變時，相鄰兩個周期內(nèi)的電壓（電流）波形是相同的，因此它一般不會引起太大的電壓波動和閃變。但間諧波的頻率不是基波頻率的整數(shù)倍，所以即使間諧波電壓（電流）和基波電壓（電流）的數(shù)值不變時，相鄰兩個周期的電壓（電流）波形也是不同的。這樣就會引起電壓波動和閃變。

2.2 產(chǎn)生諧振，引發(fā)設(shè)備故障

無源濾波裝置的幾個濾波支路之間以及濾波支路與系統(tǒng)阻抗之間均會存在并聯(lián)諧振點，當(dāng)并聯(lián)諧振點的頻率與間諧波的頻率接近時，間諧波將會被嚴重放大，甚至產(chǎn)生危險的諧振過電壓。此時無源濾波裝置就會過載而不能正常運行，甚至故障。如果不從設(shè)計上避免這種情況，僅僅加大無源濾波裝置的過載能力，有可能危害其它電力設(shè)備的安全運行，造成更嚴重的后果。

2.3 使電壓波形零點偏移

當(dāng)系統(tǒng)中存在間諧波電壓時，相鄰兩個周期的電壓波形是不同的。在某些周期內(nèi)，還會使電壓波形零點偏移。由于電壓波形零點是某些設(shè)備工作時的基準(zhǔn)點，如果間諧波改變了電壓波形零點，就會影響這些設(shè)備的正常運行，甚至造成事故。

3 馬鋼CSP的供電系統(tǒng)及其諧波、間諧波

馬鋼薄板連鑄連軋CSP 項目，建有36#變電所1座，有4 套35 kV 和10 kV 供電系統(tǒng)。其中35 kV 為軋鋼主傳動系統(tǒng)。35 kV 母線上接入4 臺F1～F4 交交變頻裝置。

CSP 項目投產(chǎn)后，對35 kV 母線進行過諧波測試。諧波電流測試數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 35 kV母線生產(chǎn)運行時諧波狀態(tài)測試數(shù)據(jù)

由于間諧波電流的頻率太多，測試儀器無法記錄所有間諧波電流的頻率和數(shù)值，但它記錄了一些非特征諧波電流值（4 次、6 次、8 次、12 次、18 次等），這些諧波電流實際上是間諧波的一種特殊表現(xiàn)。

4 馬鋼CSP的無源濾波裝置

馬鋼CSP在建設(shè)時，在35 kV母線上接入了1套無源濾波裝置，該濾波裝置由4個濾波支路H4、H5、H7、H10 組成，其濾波電容器的參數(shù)如表2 所列，該裝置由西門子公司提供。

表2 35 kV母線接入無源濾波電容器參數(shù)表

該濾波裝置與常規(guī)濾波裝置不同的地方是：濾波電抗器的頂部都有一個不銹鋼做成的線圈，與電抗器的線圈串聯(lián)。由于不銹鋼的電阻較大，因此其作用是在濾波支路中串聯(lián)一個電阻，目的是降低濾波支路的品質(zhì)因數(shù)，抑制濾波裝置對間諧波的放大倍數(shù)。

采用電感電容表對4 組濾波電抗器進行測量，濾波電抗器串聯(lián)電阻前后的品質(zhì)因數(shù)如表3所列。

表3 串聯(lián)電阻前后的濾波電抗器品質(zhì)因數(shù)

根據(jù)以上無源濾波裝置的參數(shù)和35 kV 母線的短路容量（603 MVA），我們采用阻抗并聯(lián)法［3］計算出串聯(lián)電阻前流入系統(tǒng)諧波電流比例系數(shù)（也就是諧波電流放大系數(shù)）見圖1；串聯(lián)電阻后流入系統(tǒng)諧波電流比例系數(shù)見圖2。

圖1 串聯(lián)電阻前的諧波電流放大系數(shù)

圖2 串聯(lián)電阻后的諧波電流放大系數(shù)

從圖1 和圖2 可以看出：無源濾波裝置的并聯(lián)諧振點處的頻率為基波頻率的非整數(shù)倍。如果變頻裝置產(chǎn)生的間諧波落在并聯(lián)諧振點附近，流入系統(tǒng)和濾波裝置的間諧波將會大大超過變頻裝置產(chǎn)生的間諧波。針對本系統(tǒng)，當(dāng)交交變頻裝置的工作頻率在12 Hz附近時，變頻裝置就會產(chǎn)生fn=（kp±1）f1±m(xù)Lf0=（6-1）×50-6×12=178 Hz 的間諧波。此時，間諧波正好落在并聯(lián)諧振點附近。濾波電抗器不串電阻時，178 Hz的間諧波的放大倍數(shù)達到25倍左右，即使串入電阻，放大倍數(shù)仍然達到9倍。

以上分析與實際使用情況基本一致。在長期使用過程中，H4濾波電容器由于損壞而全部更換過一次，而H5、H7、H10濾波支路的濾波電容器沒有發(fā)生過故障。

5 總結(jié)

交交變頻裝置在工作時不僅會產(chǎn)生特征諧波，而且會產(chǎn)生大量間諧波。這些間諧波不僅對電力系統(tǒng)產(chǎn)生危害，而且對常規(guī)的無源濾波裝置也會產(chǎn)生危害。因此，在設(shè)計無源濾波裝置時需要非常小心核對設(shè)計參數(shù)，特別要防止間諧波被無源濾波裝置放大，被放大的間諧波不僅危害無源濾波裝置，而且會嚴重危害系統(tǒng)中其它設(shè)備的安全運行。

實際上，不僅僅是交交變頻裝置會產(chǎn)生間諧波，其它大型變頻設(shè)備（例如中頻爐）也會產(chǎn)生大量間諧波。為它們配套濾波裝置時需特別關(guān)注上述各參數(shù)以及因設(shè)計、工況參數(shù)引起的變化和后果。