冯海锋（广东省佛山市高明区沧江泵站管理处，广东佛山，528500）



泵站系统谐波分析与应对

冯海锋
（广东省佛山市高明区沧江泵站管理处，广东佛山，528500）

摘要：现代电子技术的应用在泵站的控制管理方面提供了更加精细化的选择，但由此亦在泵站的电气系统中产生了谐波的污染。作为泵站的技术管理人员，需要对泵站电气系统内产生的谐波的成因、危害有所了解、警觉，并进行测量分析，为最终解决泵站内谐波的污染提出方向性、切实可行的应对措施，提高泵站内电网的电能质量，确保设备安全运行。

关键词：泵站；谐波；晶闸管；谐波检测；谐波治理；滤波器

0 引言

谐波，是指一个周期电气量中频率为大于1整数倍基波（我们国家为50HZ）频率的正弦波分量。谐波对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。笔者作为泵站技术管理者，在实际工作中对因谐波造成的对泵站内线路和设备的影响深有感触，并且这种影响是逐渐积累其效应的慢过程，一般在一定时期后才暴露，造成很多问题不能及时发现，最后造成更大的损失。本文将以泵站电气系统产生谐波为研究对象，对谐波产生的原因、谐波的危害、实际影响进行分析，并根据实际情况，为治理谐波进行有益的探讨。

图一 三相全控格式整流电路

1 泵站谐波产生的原因

以广东省佛山市高明区沧江泵站为例，该站装备四台上海电机厂电压为10KV，功率1250KW高压同步电动机，配套四套北京前锋科技有限公司WKLF-102大型DSP励磁系统，额定励磁电流244A，励磁电压119V，励磁系统采用三相全控桥式整流电路（如图一）。

图二 晶闸管伏安特性图

1.1 三相全控桥式整流电路配备6只型号KP500/2200V的晶闸管，由图二晶闸管的伏安特性曲线图可以知道，三相全控桥式整流装置是一种典型的非线性负载。相对于理想的线性负载，由I=U/R可知，流过负载的电流与加在负载两端的电压呈现线性关系。而流过非线性负载的电流与电压呈现非线性的关系，形成非正弦波，产生谐波。这是泵站谐波产生的最主要原因

1.2 励磁变压器作为励磁系统的重要配套设备，对泵站系统来讲，其主要作用有两个：一是整流系统提供合适的工作电压并传递励磁功率；二是在同步电动机的转子侧与励磁电源间实现电气上的隔离。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上变压器设计时出于经济性的考虑，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电源呈尖顶波形，含有奇次谐波。这是泵站谐波产生的次要原因。

1.3 站内其他设备，如各类电子设备，开关电源，充电装置等，也会产生谐波。

2 电网谐波标准与对泵站的实际影响

由于谐波对电网电能的质量造成严重的负面影响，我国有关部门高度重视，国家技术监督局于1993年发布《电能质量—公用电网谐波》的国家标准GB/14549—1993，对我国公用电网各级电压的谐波畸变量作了规定（表一），

表一：国标公共电网谐波电压规定

由表一可见，沧江泵站励磁系统输入电压为0.38KV，国标容许的电压总谐波畸变率为5%，由图三可见，在泵站励磁系统没有启动前，电网谐波畸变率为3.1%符合国标规定，但在励磁系统投入运行后，电网的谐波畸变率上升为22.4%（图四），严重超过了国家标准。

高畸变谐波分量造成供配电线路、用电设备发热；使电气设备，电动机产生机械振荡；干扰无线电设备的正常运行；触发继电保护和自动装置误动作等明显的危害。在泵站系统中，谐波的主要影响是会便电动机和变压器引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动，噪声和谐波过电压。在沧江泵站系统中，谐波带来的一个最明显影响是泵站自动化系统直流充电屏中一个用来分隔电网与屏内设备的电抗器发出明显的高分贝啸叫声，十分刺耳。

而对于像沧江泵站采用同步电动机的系统，定子绕组流过谐波电流后将产生与谐波频率相对应的旋转磁场，在转子绕组中感应出谐波电流，由于谐波的频率高，集肤效应显著，因此谐波电流只在转子各部件的表层流动，尤其是转子中的阻尼绕组、槽楔、齿和套箍最容易受到谐波电流的损害。

3 谐波治理的分析

由实际测量可见，沧江泵站励磁系统正常工作时，产生的谐波影响已经大大超过了国标的规定，出现了电抗器啸叫等明显不正常现象，需要对谐波进行治理。谐波的治理通常有两种方法：一是从谐波产生的源头着手，采取措施与方法尽量减少谐波的发生；二是加装滤波器过虑谐波。

3.1 谐波源治理措施

对像沧江泵站这样的用户，励磁设备采用晶闸管三相全控桥式整流装置产生谐波的情况，由于晶闸管整流装置即使在最理想的状态（三相交流系统全对称，直流换流电抗为零）下运行， 整流变压器的二次绕组也会流过方波电流，与之相对应的一次绕组就会流过梯形电流，其电流的形式就会发生畸变，况且三相交流系统很难做到完全对称，因此造成谐波的成分会更加复杂，电压和电流波形发生畸变的情形会更加严重，所以谐波的产生是必然的，严格来讲没办法从根本上消除。

3.2 减少谐波影响的措施

对于像沧江泵站一样，受谐波影响比较严重，但从源头上消除甚至减少谐波的产生都比较困难的情况下，要想比较好地解决谐波的影响，最现实的方法是加装滤波器，但根据谐波测量的结果，站内谐波的成份比较复杂，加装无源滤波器成本低，但由于随着励磁机组投入数量不同谐波成分随着变化，滤波效果特别是稳定性比较差强人意；加装有源滤波器效果好，但投入较大，设备布置需要重新考虑，对一般泵站管理单位需要进行设计变更，审批的程序需时较长。

4 结语

对于应用晶闸管整流励磁系统的现代化泵站，谐波的产生从现实角度考虑基本上是不可避免的，需要在泵站的设计阶段就考虑谐波的影响，除了要求相关设备供货商在设计生产时要尽量采取措施减少谐波；在设备的线路布置上，如使用多个变压器分别向不同设备供电的，尽量考虑将励磁整流设备与其他容易受谐波影响大的其他设备如计算机，自动化设备等分配到不同的供电母线上，利用变压器的∆接法减少3倍次谐波的影响；有条件的话，应该要考虑配置滤波器，特别是有源滤波器，确保用电设备不受谐波影响，并能提高功率因素。

参考文献

［1］王兆安，杨君，刘进军，王跃 编著，《谐波抑制和无功功率补偿》第二版，机械工业出版社 2005.10

［2］中华人民共和国国家技术监督局发布，中华人民共和国国家标准GB/14549—1993，《电能质量—公用电网谐波》

［3］郭宏波，谭俊源，谐波对变压器的影响及其抑制分析，电力建设，2008.11

［4］Fluke 43B，电源质量分析仪用户手册

［5］WKLF101/102型微机控制同步电动机励磁装置用户手册，北京前锋科技有限公司 2007.9

Pumping System Harmonic Analysis and Response

Feng Haifeng
（Foshan City， Guangdong Province Gaoming Cangjiang Pumping Station Management Office，Guangdong Foshan，528500）

Abstract：The application of modern electronic technology to provide a more refined choice in terms of control and management of pumping stations， but also generate pollution resulting harmonic pumping station electrical systems.As technical manager of the pumping station，the need for the causes generated within the pump station electrical system harmonics harm understand，alert，and measurement and analysis，proposed a final settlement within a directional pumping harmonic pollution，practical measures to improve the pumping station within the grid power quality，to ensure the safe operation of equipment.

Keywords：pumping station； harmonics；thyristor；harmonic detection；harmonic governance；filter