馮春雨

摘 ?要：隨著油田采油生產(chǎn)和油田注水中電機(jī)變頻器的大量使用，部分變電站存在供電系統(tǒng)諧波污染嚴(yán)重、系統(tǒng)功率因數(shù)低和線(xiàn)路損耗偏高等電能質(zhì)量問(wèn)題，從而出現(xiàn)斷路器誤動(dòng)作、PT燒毀等供電系統(tǒng)事故頻發(fā)的現(xiàn)象，影響了變電站的運(yùn)行安全。該文通過(guò)對(duì)110 kV濱六變的諧波治理改造的分析，淺談變電站諧波治理改造技術(shù)。

關(guān)鍵詞：諧波治理;無(wú)功補(bǔ)償;改造技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM63 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。從嚴(yán)格的意義來(lái)講，諧波是電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，諧波產(chǎn)生的原因主要是由于正弦電壓加壓于非線(xiàn)性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。電網(wǎng)諧波主要是由發(fā)電設(shè)備、輸配電設(shè)備以及電力系統(tǒng)非線(xiàn)性負(fù)載等3個(gè)方面引起的。

1 110 kV濱六變現(xiàn)場(chǎng)情況

1.1 基本情況

勝利油田電網(wǎng)始建于1965年，目前已建成以220 kV為構(gòu)架、110 kV為主網(wǎng)、35 kV遍布勝利各油區(qū)的大型企業(yè)電網(wǎng)。110 kV濱六變位于濱州市西外環(huán)東側(cè)，主要擔(dān)負(fù)著濱南采油廠(chǎng)

管理二區(qū)的生產(chǎn)供電任務(wù)。作為西部電網(wǎng)的樞紐站，由110 kV尚六線(xiàn)、濱二六線(xiàn)同時(shí)供電，分別來(lái)自110 kV濱二變和濱州市220 kV郭集變。該站于1996年2月3日投產(chǎn)。擁有兩臺(tái)容量為31 500 kVA的主變，35 kV的出線(xiàn)4條，高壓電機(jī)4臺(tái)，6 kV出線(xiàn)11條。6 kV線(xiàn)路下掛配電變壓器435臺(tái)，油井電機(jī)966臺(tái)。日最高負(fù)荷2.5萬(wàn)kW，日平均轉(zhuǎn)供電量24.7萬(wàn)kW·h，年轉(zhuǎn)供電量9 000萬(wàn)kW·h。由于設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行，供電系統(tǒng)存在諧波含量偏高、事故頻發(fā)、網(wǎng)損偏高、功率因數(shù)偏低等問(wèn)題，嚴(yán)重影響變電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2 測(cè)試情況

1.2.1 測(cè)試點(diǎn)選擇

110 kV濱六變電站的I段、II兩段母線(xiàn)分列運(yùn)行，我們對(duì)2條6 kV母線(xiàn)分別進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)分別選在1#主變和2#主變的6 kV出線(xiàn)。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

測(cè)得電壓諧波畸變數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1得出110 kV濱六變I段母線(xiàn)、II段母線(xiàn)電壓總諧波畸變率超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

測(cè)得I段母線(xiàn)電流諧波畸變數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

測(cè)得II段母線(xiàn)電流諧波畸變數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表2 和表 3得出110 kV濱六變I段母線(xiàn)、II段母線(xiàn)的5次和7次諧波的最大電流不合格。測(cè)得功率因數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4得出110 kV濱六變I段母線(xiàn)、II段母線(xiàn)的功率因數(shù)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。綜上所述，110 kV濱六變I段母線(xiàn)、II段母線(xiàn)奇次諧波電流過(guò)高，檢測(cè)不合格。功率因數(shù)偏低，不達(dá)標(biāo)。

3 110 kV濱六變諧波治理的原因

3.1 諧波含量超標(biāo)

按照110 kV濱六變主變?nèi)萘亢? kV母線(xiàn)協(xié)議容量以及最小短路容量100 MVA，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549—1993）要求的計(jì)算方法進(jìn)行換算，見(jiàn)表5。

由各變電站電能質(zhì)量測(cè)試報(bào)告及諧波含量國(guó)標(biāo)要求可以知道2點(diǎn)。1）110 kV濱六變電站6 kV母線(xiàn)電壓畸變率偏高，均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。2）110 kV濱變電站6 kV母線(xiàn)電流5次諧波、7次諧波超過(guò)諧波電流允許值，見(jiàn)表6。

3.2 事故頻發(fā)

造成事故的原因主要有5個(gè)。1） 諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線(xiàn)時(shí)會(huì)使線(xiàn)路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波對(duì)電機(jī)的影響除了引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。3）諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。4）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。5） 諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，甚至造成通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。隨著采油生產(chǎn)和油田注水中電機(jī)變頻器的大量使用，110 kV濱六變供電系統(tǒng)諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重，導(dǎo)致斷路器誤動(dòng)作、電力諧振、PT燒毀等供電系統(tǒng)事故頻發(fā)，已嚴(yán)重影響變電站的運(yùn)行安全。

3.3 電容器損壞嚴(yán)重

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，110 kV濱六變電站存在6 kV電容補(bǔ)償器，因?yàn)榇嬖诖蟛糠蛛娙輷p壞問(wèn)題，導(dǎo)致目前站內(nèi)電容補(bǔ)償器無(wú)法投入運(yùn)行。電容器損壞存在2個(gè)方面的原因。1）目前電容器已運(yùn)行20年以上，設(shè)備老化及自然損壞。2）因諧波污染嚴(yán)重，高次諧波造成電容器因過(guò)電流而損壞或者無(wú)功補(bǔ)償電容與感性負(fù)載形成并聯(lián)或串聯(lián)諧振，進(jìn)一步放大諧波電壓和電流，造成電容器損壞。

3.4 功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)

110 kV濱六變電站均存在母線(xiàn)功率因數(shù)偏低的問(wèn)題，主要有2個(gè)方面原因。1） 用電設(shè)備和電網(wǎng)之間存在的大量往復(fù)交換的無(wú)功功率，占用了電網(wǎng)的許多容量，使電網(wǎng)的利用率降低。2）電網(wǎng)中諧波含量較高，導(dǎo)致基波電流減少，就使基波因子降低，功率因數(shù)下降。

通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償，可使電網(wǎng)的視在功率接近于有功功率，提高電網(wǎng)的供配電能力（也相當(dāng)于增容），降低供電網(wǎng)絡(luò)中的線(xiàn)路損耗。在諧波污染嚴(yán)重的情況下，僅考慮傳統(tǒng)的純電容無(wú)功補(bǔ)償方案存在2個(gè)方面的隱患。1） 高次諧波造成電容器因過(guò)電流而損壞。2）無(wú)功補(bǔ)償電容與感性負(fù)載形成并聯(lián)或串聯(lián)諧振，進(jìn)一步放大諧波電壓和電流，造成電容器損壞。因此，需要首先治理供電系統(tǒng)諧波含量偏高問(wèn)題。

4 110 kV濱六變諧波治理的技術(shù)措施

4.1 無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置安裝容量的分析計(jì)算

從110 kV濱六變電站6 kV母線(xiàn)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)記錄表分析可知，110 kV濱六變電站6 kV I段和II段母線(xiàn)負(fù)荷相近，我們以6 kV I段母線(xiàn)為例進(jìn)行源濾波補(bǔ)償裝置安裝容量的分析計(jì)算。

4.1.1 補(bǔ)償容量的分析計(jì)算

需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率計(jì)算公式如下。

QC=P（tan arccosφ1-tan arccosφ2）

其中：P為有功功率，cosφ1為補(bǔ)償前的功率因數(shù)，cosφ2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)。

110 kV濱六變電站6 kV I段母線(xiàn)電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：有功功率最大值為4 409.148kW，最小值為3 035.514 kW，平均值4 269.289 kW，無(wú)功功率最大值為3 396.296 kvar最小值為2 133.380 kvar，平均值為3 057.628 kvar，6 kV電容補(bǔ)償器處于停運(yùn)狀態(tài)，母線(xiàn)功率因數(shù)比較低，功率因數(shù)穩(wěn)定在0.813，如果將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95以上，需要補(bǔ)償無(wú)功功率為1 690 kvar，如果需要將將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.99，則需補(bǔ)償無(wú)功功率為2 480 kvar。從110 kV濱六變6 kV母線(xiàn)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)記錄表分析可知，1#母線(xiàn)監(jiān)測(cè)到平均有功功率為5 250 kW;因此我們分析6 kV母線(xiàn)最大負(fù)荷有功功率為6 000 kW，按照補(bǔ)償前平均功率因數(shù)0.81來(lái)計(jì)算，如果將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.95以上，需要補(bǔ)償最大無(wú)功功率為2 370 kvar，如果需要將將功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.99，則需補(bǔ)償最大無(wú)功功率為3 490 kvar。

考慮到濱六變電站兩段6 kV母線(xiàn)上負(fù)載可能的變化調(diào)整以及原有每段母線(xiàn)配置的電容器組安裝容量達(dá)到3 600 kvar，綜合分析確定對(duì)每段6 kV母線(xiàn)設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償容量為3 600 kvar， 不僅可以現(xiàn)有輕載運(yùn)行時(shí)補(bǔ)償無(wú)功的需求，也能滿(mǎn)足負(fù)載增大后的無(wú)功補(bǔ)償需求。分為三組補(bǔ)償單元，補(bǔ)償容量分別為

600 kvar/1 200 kvar/1 800 kvar，通過(guò)組合投切可以實(shí)現(xiàn)600 kvar/1 200 kvar/1 800 kvar/2 400 kvar/3 000 kvar/3 600 kvar這六檔補(bǔ)償容量，其對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償效果與負(fù)荷范圍分析計(jì)算見(jiàn)表7。

根據(jù)上述補(bǔ)償容量推算結(jié)果設(shè)計(jì)了3組無(wú)功補(bǔ)償容量：600 kvar/1 200 kvar/1 800 kvar，可以實(shí)現(xiàn)6 kV母線(xiàn)負(fù)荷有功功率在1 032 kW～9 100 kW有功功率范圍內(nèi)，將功率因數(shù)從0.81補(bǔ)償?shù)?.91～0.99，實(shí)現(xiàn)月平均功率因數(shù)≧0.95的補(bǔ)償目標(biāo)。

4.1.2 安裝容量的分析計(jì)算

無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置不僅要補(bǔ)償系統(tǒng)缺少的無(wú)功功率，同時(shí)要能有足夠的濾波容量來(lái)分流系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流，因此無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置實(shí)際的安裝容量需要根據(jù)下列公式計(jì)算。

計(jì)算確定每套無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置無(wú)功補(bǔ)償容量為3 600 kvar，安裝容量為6 300 kvar。

4.2 改造技術(shù)主要內(nèi)容

根據(jù)110 kV濱六變電站實(shí)際情況以及測(cè)試數(shù)據(jù)的分析計(jì)算，濱六變6 kV I、II段母線(xiàn)需各安裝高壓無(wú)源濾波補(bǔ)償成套裝置1套，每套無(wú)源濾波補(bǔ)償成套裝置由7面柜體組成，包括三面電抗器柜、三面電容器柜和一面控制保護(hù)柜。安裝后高壓無(wú)源濾波補(bǔ)償成套裝置接入6 kV母線(xiàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，3條濾波補(bǔ)償回路由智能無(wú)功控制器根據(jù)母線(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載變化需要的無(wú)功功率，按編制順序自動(dòng)控制開(kāi)關(guān)投入或切除，同時(shí)投切相應(yīng)電抗器，濾除電網(wǎng)中5次和7次諧波，達(dá)到消除諧波同時(shí)兼顧無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)后系統(tǒng)電能質(zhì)量能夠達(dá)到4種技術(shù)指標(biāo)。1） 電壓總諧波畸變率：THDU≤2%。2）6 kV母線(xiàn)功率因數(shù)cosФ≥0.95，且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)。3）母線(xiàn)系統(tǒng)中的5次特征諧波電流含量下降50%以上，滿(mǎn)足《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》GB/T 14549—1993的要求。4）無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置投運(yùn)后，在正常運(yùn)行及缺相運(yùn)行等工況下，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生電流放大和并聯(lián)諧振現(xiàn)象。

4.3 無(wú)源濾波補(bǔ)償裝置各通道參數(shù)設(shè)計(jì)

4.3.1 濾波器各通道電抗器參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)兩段母線(xiàn)電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)內(nèi)諧波含量較高，但諧波成分中主要是以5次諧波和7次諧波為主導(dǎo)，占到總諧波含量的80%以上。而高壓無(wú)源濾波器是由高壓濾波電容器、高壓濾波電抗器和高壓電流互感器等元器件組成的一條或幾條濾波補(bǔ)償回路構(gòu)成的，其每條濾波補(bǔ)償回路是針對(duì)某一頻率（如5次為250 Hz）的諧波電流構(gòu)成低阻抗分流通路，讓電網(wǎng)中該頻率的諧波電流受阻抗低的吸引而分流進(jìn)入濾波器予以振蕩消除，從而使電網(wǎng)中的該頻率諧波電流得到抑制消減，電網(wǎng)中高于該頻率的諧波電流（如7次350 Hz、11次550 Hz、13次650 Hz）的阻抗也均高于5次濾波補(bǔ)償回路的阻抗值，因此也都有被分流消減的作用，頻率越接近250 Hz的諧波電流被分流消減的作用越明顯，效果越好。頻率越高于250 Hz的諧波電流被分流消減的作用越低，因此7次諧波電流可以明顯被5次濾波補(bǔ)償回路分流消減。因此將3組濾波補(bǔ)償回路均設(shè)計(jì)為5次，不僅可以避免不同次數(shù)的濾波補(bǔ)償回路因投切順序的限制而影響補(bǔ)償效果，還可以重點(diǎn)消減5次和7次諧波電流，抑制7次以上諧波電流的放大，能明顯降低母線(xiàn)中的諧波含量，從而全面提升母線(xiàn)系統(tǒng)的電能質(zhì)量水平。

4.3.2 濾波器各回路電容器參數(shù)設(shè)計(jì)

為了保證110 kV濱六變電站6 kVⅠ、Ⅱ段母線(xiàn)所需的無(wú)功補(bǔ)償效果，補(bǔ)償容量3 600 kvar設(shè)計(jì)為3條濾波補(bǔ)償回路，每組補(bǔ)償容量分別為600 kvar、1 200 kvar和1 800 kvar，對(duì)應(yīng)安裝容量為1 050 kvar、2 100 kvar和3 150 kvar，如此可以實(shí)現(xiàn)600 kvar、1 200 kvar、1 800 kvar、2 400 kvar、3 000 kvar和3 600 kvar 6檔不同補(bǔ)償容量，同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)能有足夠的濾波容量來(lái)分流系統(tǒng)內(nèi)的諧波電流。通過(guò)智能無(wú)功控制器實(shí)現(xiàn)分組自動(dòng)組合補(bǔ)償，來(lái)滿(mǎn)足6 kV母線(xiàn)負(fù)載所需無(wú)功補(bǔ)償容量的變化，達(dá)到高功率因素優(yōu)化運(yùn)行的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)110 kV濱六變諧波治理，大大降低了諧波電流，提高了功率因數(shù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，主要從以下方面體現(xiàn)。

5.1 電網(wǎng)質(zhì)量提高

高壓無(wú)源濾波補(bǔ)償成套裝置投運(yùn)后，可以消除電網(wǎng)的無(wú)功損耗，抑制諧波污染，降低系統(tǒng)三相不平衡度，從而降低電網(wǎng)的線(xiàn)損，提升電壓、電流合格率，提高供電質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性，延長(zhǎng)變壓器、開(kāi)關(guān)器件、導(dǎo)線(xiàn)及電纜的使用壽命。

5.2 諧波損耗降低

由于系統(tǒng)中的諧波的趨膚效應(yīng)，同樣大小的諧波電流（諧波電流的頻率會(huì)比基波電流高得多）流過(guò)同樣的導(dǎo)體，其損耗比工頻的電流損耗大的多，因此系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的損耗非常大。高壓無(wú)源濾波補(bǔ)償成套裝置投運(yùn)后，可以降低諧波損耗。

5.3 增加設(shè)備容量

系統(tǒng)功率因數(shù)低時(shí)，需要大量的無(wú)功，這部分無(wú)功的損耗較高，在安裝高壓無(wú)源濾波補(bǔ)償成套裝置后，系統(tǒng)功率因數(shù)在0.95以上，這就大大降低了系統(tǒng)無(wú)功的損耗。同時(shí)需要的無(wú)功減少也在一定程度上減輕了變壓器容量的壓力，增強(qiáng)了電網(wǎng)的擴(kuò)展能力。

5.4 更長(zhǎng)的使用壽命

高壓無(wú)源濾波補(bǔ)償成套裝置運(yùn)行安全可靠，操作簡(jiǎn)單，半導(dǎo)體材料元器件使用壽命超過(guò)10年。半導(dǎo)體為硅材料，使用壽命行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為20年，完全不同于傳統(tǒng)的電容器，不存在電容類(lèi)產(chǎn)品反復(fù)充放電，有效使用壽命2～3年的問(wèn)題，長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]張丕灶.全固態(tài)中波發(fā)送系統(tǒng)調(diào)整與維護(hù)[M].廈門(mén)：廈門(mén)大學(xué)出版社，2007.

[2]陳曉衛(wèi).全固態(tài)中波廣播發(fā)射機(jī)使用與維護(hù)[M].北京：中國(guó)廣播電視出版社， 2002.

[3]王紅星，黃曙，馬凱，等.智能變電站間隔層設(shè)備在線(xiàn)式自我狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東電力，2013（10）：70-73.