陳英杰（遼河油田公司質量節(jié)能管理部）

低壓磁性濾波技術應用

陳英杰（遼河油田公司質量節(jié)能管理部）

諧波屬于無用波，是衡量電能質量的重要指標，它在電網中的流通將增加能耗，表現在線損、變壓器銅損、鐵損及設備損耗等方面，同時造成這些設備發(fā)熱、振動及噪音增加，甚至導致線路及電器設備的絕緣擊穿。針對油田電網存在諧波的實際情況，開展了諧波治理技術研究，提出采用磁性濾波技術，通過磁性材料的特殊品字型對稱結構，消除磁路中的諧波分量。油田現場應用達到了較好的效果，實現了消除諧波、節(jié)能降耗的目的。

電力系統(tǒng) 諧波 低壓磁場 濾波裝置

近年來隨著大量非線性負載設備在沈采低壓電網的使用，導致電能質量發(fā)生改變，電流波形不再和電網電壓的正弦波一致，產生畸變現象。沈采低壓電網諧波源主要是變頻器和中頻加熱裝置，因其內部含有整流環(huán)節(jié)，出現 5、7、11、13 次諧波，這些諧波為供電電網和負載帶來諸多影響和干擾。

1 諧波危害

諧波屬于無用波，諧波在電網中的流通將增加能耗，表現在線損、變壓器銅損、鐵損及設備損耗等方面，同時造成這些設備發(fā)熱、振動及噪音增加。諧波容易造成設備局部放電及絕緣擊穿，增加維護/維修工作量，減少設備電氣壽命，使精密敏感負載遭受損壞，接觸器線圈發(fā)熱燒毀。據統(tǒng)計，近三年來采油二區(qū)因諧波致使接觸器線圈燒毀的有百余次。諧波干擾無功補償裝置的正常運行，造成無功補償裝置跳閘、電容器不能正常工作，甚至燒毀；諧波還可能被放大，這將對用電設備和輸變電線路造成進一步的損害。諧波影響設備的正常運行，造成對弱電及通訊信號的干擾，導致設備無故跳閘或運行異常、計量出錯、通訊系統(tǒng)受干擾等，例如斷路器跳閘，熔絲熔斷，計量儀表計量不準確等。諧波治理是保證安全生產的重要環(huán)節(jié)之一，既可濾除電網中的有害諧波，同時又提高功率因數，保證設備平穩(wěn)節(jié)能運行。

磁場濾波技術是利用電磁轉換原理和軟磁材料，將電能諧波轉換為磁能。諧波電流產生的磁場在磁性濾波器特殊的品字形結構內部分解為方向相反的磁通，在鐵芯磁路中直接抵消，沒有諧波磁通就無法感應諧波電流，從而達到濾除電能諧波的目的。磁場濾波是專門針對變頻器這種諧波含量大、自身功率因數高的變流類設備研發(fā)的新型濾波技術，不存在電容器補償，不涉及過補問題。磁場濾波技術不但能消除系統(tǒng)諧波，還能夠提高功率因數和 改 善 三 相 不 平 衡[1]（圖 1）。

圖1 磁性濾波原理示意圖

圖 1 中 a、b、c分 別 代 表 三 相 諧 波 電 流 ， 在 品字形結構和特定磁路作用下，a相諧波磁場向c相磁場偏移后返回a相，形成方向相反的磁束，在鐵芯 內 抵 消 （b、 c 相 工 作 原 理 相 同）[1]。

諧波產生的磁場 在鐵 芯中 的抵 消效果 （圖 2），經移相偏移后 n次諧波在鐵芯中產生的磁場為和和 Bn方向相反，大部分被抵消，抵消，抵消后 的磁場無 法 感 應 出 原來的諧 波 電 流[1]。

2 工藝原理

圖2 諧波磁場抵消示意圖

磁性濾波器的阻抗特征和品字型對稱結構設計同時起到抑制浪涌和改善三相不平衡的作用。

3 現場試驗

為摸清磁性濾波器性能效果的詳細資料，選取某采油區(qū) 16#站變頻外輸泵進行濾波試點，外輸泵所屬變壓器容量為 200kVA，外輸泵功率 37kW，變頻器功率為 45kW。采用型號為 PMHT1000-0.4-30 的磁性濾波裝置 （圖3）作為臨時樣機進行濾波試驗。電能質量監(jiān)測儀器采用法國 CA8334三相電能質量監(jiān)測儀，測量方式為三相三線制。測試時變頻器運 行頻率 為 50Hz， 錄 取數據 均大于 100 條，數據采集間隔為 1s。

圖3 磁性濾波裝置

根據諧 GB/T14549 國家標準要求 ：0.38kV 電壓總諧波畸變率小于5%。諧波電流評估標準值采用GB/Z17625.6—2003 規(guī) 定 的 計 算 方法。

按此變頻 器 配 電 回 路 總 開 關 額 定 電 流 200A計，其瞬動保護的電流整定值按11倍計算，則電網分配給變頻器配電回路與電網連接PCC點的最大短 路 電 流 為 2200A， 則 最 大 短 路 容 量 Ssc=2200×， 系 統(tǒng) 短 路 容 量 與 設 備 額定 容 量 的 短 路 比 Rsce=Ssc/Sequ=1524.2/45=33.87。 短路 比 Rsce≥33， 符 合 GB/Z17625.6— 2003 第 5.1 條 簡化連接的標準規(guī)定，如表1所示。

表1 第 1 級簡化連接設備的諧波電流發(fā)射值（ Sequ≤ Ssc/33）

根 據表1計 算 諧波電 流 限值 ：45kW 變頻 器 額定 電 流。5、7、11、13 次 電流 限 值 分 別 為 I5N=65 × 10.7% ≈7A； I7N=65 × 7.2% ≈4.7A； I11N=65 × 3.1% ≈2A； I13N=65 × 2%= 1.3A。

4 測試評估

濾波前后測試數據見表2。

表2 磁性濾波器投入前后變頻器電源側測試數據

1）原變頻器配電回路電壓總諧波畸變達5.2%，超 出 國 家 標 準 5% 的限值； 進 行 諧 波 治 理后，電壓總諧波畸變率在2%以下。

2）原變頻器配電回路中 5、7、11、13 次諧波電流超標；進行諧波治理后，5、7、11、13次諧波電流濾除率在 60%～70%左右，符合諧波電流發(fā)射的標準規(guī)定。

3）原 變 頻 器 配 電 回 路 功 率 因 數 約 為 0.85， 治理后的功率因數提升到 0.98。

4）負載總有效電流值明顯降低，降低幅度約為 12%。

5）治理后，電壓波形為更光滑的正弦波；電流波形連續(xù)性變好，由原來的雙峰波向正弦波趨近，并消除了變頻器開關元件周期斷開所形成的電流為零的死區(qū)。

5 現場實施

根據上述試驗結果，在采油區(qū) 19口電加熱油井推廣試驗安裝 19臺低壓磁性濾波裝置，檢測口測試井綜合節(jié)能率為 4.11%，電壓總諧波畸變率由9.80% 下 降 至 4.71% （表3）， 單 井 平 均 降 低有功功率 5.78kW， 年 節(jié) 電 量 96.2 × 104kWh。 由 于 有 效 地降低了線路高次諧波分量的幅值，從而降低了設備因絕緣擊穿等損壞的幾率，節(jié)約了設備維修費用。

表3 磁性濾波器測試數據

6 結論

低壓磁性濾波裝置可應用在變頻器、中頻加熱裝置系統(tǒng)中，此類裝置均屬于諧波源設備。由于這類諧波源設備在低壓電網中的大量使用，致使電網電壓總諧波畸變率、電流諧波含量超標，給電力系統(tǒng)運行造成不良影響。磁性濾波器能有效減少諧波電流損耗，降低設備因高次諧波致使絕緣損壞的概率，同時提供就地補償功能，是保障安全生產和節(jié)能降耗的有效方法。

[1]周勝利,馬金玉.油田電能質量治理可行性研究[J].石油石化節(jié)能,2012(4):6-8.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.008

2013-05-16）

陳英杰，工程師，1987年畢業(yè)于長春建筑?？茖W校 （供熱通風專業(yè)），1997 年畢業(yè)于沈陽建工學院 （供熱通風與空調專業(yè)）， 從 事 質 量 節(jié) 能 綜 合 管 理 工 作 ， E-mail： starmq@163.com， 地址：遼寧省盤錦市興隆臺區(qū)遼河油田質量節(jié)能管理部，124010。