滕廣琴

摘 要：針對(duì)一起變頻器因高次諧波干擾被擊毀的事故，淺談諧波產(chǎn)生的原因，并提出抑制措施，提高了變頻器抗高次諧波干擾的能力。

關(guān)鍵詞：變頻器;高次諧波;干擾

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速在港口裝卸機(jī)械上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但變頻器輸入輸出側(cè)高次諧波所產(chǎn)生的電磁干擾嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量，不僅影響變頻器自身運(yùn)行，還會(huì)干擾周邊計(jì)算機(jī)、PLC等弱電設(shè)備。本文從近年來(lái)發(fā)生的一起比較典型的變頻器諧波干擾事故出發(fā)，簡(jiǎn)述變頻器高次諧波的危害及抑制措施。

1 故障經(jīng)過(guò)

2018年8月11日，防城港二十萬(wàn)噸碼頭4#斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)變頻器（AB700系列）在卸船堆料作業(yè)過(guò)程中突然被燒壞。筆者拆開(kāi)變頻器檢查，發(fā)現(xiàn)里面的濾波電容被擊穿燒熔，但回轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣正常。重新?lián)Q上一臺(tái)備用變頻器，但用不到一天，又被擊穿燒壞。這個(gè)現(xiàn)象十分蹊蹺，單獨(dú)操作回轉(zhuǎn)時(shí)回轉(zhuǎn)變頻器能正常工作，但只要操作斗輪機(jī)行走時(shí)回轉(zhuǎn)變頻器馬上燒壞。于是筆者懷疑回轉(zhuǎn)變頻器擊毀是由于行走變頻器產(chǎn)生的高次諧波反饋回供電母排所致。

2 故障分析

為查明諧波產(chǎn)生的真正原因，筆者利用諧波專用測(cè)試儀（FLUCK 43B）對(duì)斗輪機(jī)動(dòng)力供電母線系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。

首先，筆者通知斗輪機(jī)司機(jī)僅操作斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)，測(cè)得電網(wǎng)電壓畸變率THDv不到1.7%。該變頻器是美國(guó)產(chǎn)品，其說(shuō)明書(shū)明文規(guī)定，電網(wǎng)∑THDv不得超過(guò)3%。因此，測(cè)試結(jié)果表明斗輪機(jī)僅回轉(zhuǎn)時(shí)諧波引起的電網(wǎng)畸變率是在合理范圍內(nèi)的。

其次，筆者通知斗輪機(jī)司機(jī)僅操作斗輪機(jī)行走。檢測(cè)表明，斗輪機(jī)行走時(shí)，產(chǎn)生大量的高次諧波電壓，其中29、31、33次高次諧波的電壓畸變率THDv達(dá)99.5%以上，而電壓總畸變率∑THDv達(dá)91%，嚴(yán)重超過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量共用電網(wǎng)諧波》里的要求。GB/T14549-93中規(guī)定，公用電網(wǎng)諧波電壓限值為380V（相電壓220V）電網(wǎng)電壓總THDv為5%，各次諧波電壓含有率奇次為4%，偶次為2%。最后筆者對(duì)斗輪機(jī)行走系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)行走1、2#變頻器各有1臺(tái)和2臺(tái)行走電機(jī)絕緣不足0.2MΩ，經(jīng)修復(fù)電機(jī)后，斗輪機(jī)恢復(fù)正常。

通過(guò)以上檢測(cè)試驗(yàn)，綜合分析，認(rèn)定故障原因是由于斗輪機(jī)行走變頻系統(tǒng)產(chǎn)生的高次諧波造成的。斗輪機(jī)行走系統(tǒng)由兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，每臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)8臺(tái)行走電機(jī)。行走變頻器的過(guò)流、過(guò)壓值是按8臺(tái)電機(jī)一起工作時(shí)設(shè)計(jì)的，實(shí)際測(cè)試表明，當(dāng)有1～2臺(tái)電機(jī)絕緣不足時(shí)，行走變頻器仍可正常工作，但因工況異常，行走變頻器此時(shí)產(chǎn)生大量高次諧波返回斗輪機(jī)動(dòng)力供電母線系統(tǒng)，由于回轉(zhuǎn)變頻器容量要比行走變頻器小得多，且變頻器電容對(duì)高次諧波異常敏感最終導(dǎo)致回轉(zhuǎn)變頻器被高次諧波擊穿燒毀。

3 諧波的產(chǎn)生及危害

變頻器由于本身的電力電子元件特性，其輸入側(cè)和輸出側(cè)都是一個(gè)非線性的電路，其電路本身含有豐富的高次諧波分量，除有可能造成上述的故障事故外，變頻器產(chǎn)生的諧波還可能對(duì)我港區(qū)的供電系統(tǒng)帶來(lái)以下危害：

（1）變頻器諧波使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了供用電設(shè)備的使用率，大量的三次諧波流過(guò)中線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

（2）變頻器諧波影響各種電氣元件的正常工作。諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪音和過(guò)電流，使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱，絕緣老化、壽命縮短以至擊毀損壞。

（3）變頻器諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大的增加，甚至引起嚴(yán)重事故。

（4）干擾通信系統(tǒng)的工作。

（5）干擾繼電保護(hù)裝置和測(cè)量?jī)x表的正常工作。

4 高次諧波的抑制措施

4.1 使用獨(dú)立專用的變壓器

新大型設(shè)備機(jī)械的變頻器盡量使用獨(dú)立專用的變壓器，使變頻器產(chǎn)生的高次諧波與其它供電系統(tǒng)隔離，筆者認(rèn)為這是比較簡(jiǎn)單可行的一個(gè)方法，但也存在著變壓器的容量要求足夠大，變壓器損耗較大的問(wèn)題。目前這一方法在大型設(shè)備如斗輪機(jī)、卸船機(jī)得到應(yīng)用。

4.2 安裝輸入和輸出電抗器

盡量縮短變頻器與電機(jī)的距離，應(yīng)盡量控制在200m內(nèi)，減少諧波對(duì)變頻系統(tǒng)的干擾，如線路較長(zhǎng)，則考慮在變頻器輸入側(cè)與輸出側(cè)串接合適的電抗器，吸收諧波和增大電源或負(fù)載的阻抗，達(dá)到抑制諧波的目的。當(dāng)然，受電抗器特性的影響，電抗器消除諧波的范圍較窄。

4.3 多相脈沖整流

在條件具備的情況下，或者要求產(chǎn)生的諧波在比較小的情況下，可以采用多相脈沖整流的辦法。防城港20-22泊位的所有皮帶機(jī)就是使用12相脈沖整流的變頻器。12相脈沖整流THDv大約為10%～15%，18相脈沖整流THDv大約為3～8%，滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，缺點(diǎn)是需要專用整流變壓器，不利于設(shè)備改造，價(jià)格較高。

4.4 安裝電源濾波器或動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置

在變頻器輸送入側(cè)安裝電源濾波器或動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理裝置，實(shí)時(shí)從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出變頻器諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該變頻器諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波電流。由于這種方案對(duì)變頻系統(tǒng)影響較小，這是對(duì)防城港老式大型設(shè)備機(jī)械進(jìn)行改造的最佳方案。

5 結(jié)論

變頻器因其節(jié)能效果明顯，調(diào)速方便，網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但變頻器特有的工作方式帶來(lái)的諧波干擾是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題。所以，分析和研究抑制變頻器諧波干擾的方法將對(duì)我們電網(wǎng)質(zhì)量的提高，設(shè)備的安全運(yùn)行和生產(chǎn)效率的提高具有十分重要的意義。

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