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高壓濾波裝置設計與應用導則淺析

2013/7/18 15:25:57

0 引言

《高壓濾波裝置設計與應用導則》是指導我們對高壓無源電力濾波裝置進行設計、應用的指導性標準，但由于以往高壓無源濾波設計上各種企業(yè)標準的差異化，會對讀者理解該標準內容帶來觀念上的不統(tǒng)一，為了便于讀者針對本標準關鍵技術問題理解和運用，我們就有針對性選取了標準上的一些重要的知識點作為重點解讀淺析的目標，結合平時應用技術經(jīng)驗講解幫助讀者更好理解和用好標準，打開一道啟迪之門。

1 對于標準中術語和定義中諧波相關概念理解與應用

1.1 對于基波和諧波兩個概念的基本理解

有關資料對于諧波正確定義為供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=f_n/f₁) 稱為諧波次數(shù)。諧波實際上是一種干擾量，其頻率范圍一般為2≤n≤40，使電網(wǎng)受到“污染”。

為了更還理解整流設備所造成諧波問題理解，我們可以引入整流設備的“脈波”這個概念，所謂幾脈指的就是單相半波整流，在一個交流周期內，輸出一個半波，或者叫一個脈波，...以此類推一個交流周期內輸出幾個脈波就稱為幾脈整流；

在《電氣傳動自動化技術手冊》中明確指出：多脈動整流裝置產(chǎn)生的特征諧波電流I_n含量（%）

m	p	特征諧波次數(shù)n次及諧波電流I_n含量（%）
m	p	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25
1	6	100	--	20	14.3	--	9.1	7.7	--	5.9	5.3	--	4.3	4.0
2	12	100	--	--	--	--	9.1	7.7	--	--	--	--	4.3	4.0
3	18	100	--	--	--	--	--	--	--	5.9	5.3	--	--	--
4	24	100	--	--	--	--	--	--	--	--	--	--	4.3	4.0

那么，整流設備諧波源只要是針對幾脈整流，就基本可以鎖定濾波主要對象了，例如：對于6脈整流設備，主要就是針對5、7次諧波進行處理了，…以此類推到了24脈整流設備主要產(chǎn)生的是23、25次諧波，所以，對于6脈和12脈的整流設備的濾波對象不同，濾波成本和策略也略有區(qū)別，但對于24脈整流設備而言，它對于50Hz基波影響已經(jīng)不是很大了，基本可以不用治理了。

所以，由以上定義我們就可以正確理解標準中第3節(jié)的術語和定義中，有關諧波的諸如基波分量、諧波分量、諧波次數(shù)、諧波含量以及諧波源等一些列概念性問題，同時對標準中6.3節(jié)的濾波裝置的組合內容也會有一個基礎了解。

1.2 由諧波概念引出兩個重要觀察量的理解

⑴ 標準中觀測量概念釋義：

標準中第3節(jié)的術語和定義里，3.1.1內容中PPC公共連接點之所以重點提出，是因為該參考點決定著高壓濾波裝置設計中短路電流計算原點，有了起始點才能將穿越不同電壓等級下的各種有名值阻抗歸算到統(tǒng)一基準值下標么值網(wǎng)絡簡化計算，它的應用意義非常重大的。

標準標準中第3節(jié)的術語和定義里，3.1.2內容中對諧波測量點定義：對于電網(wǎng)的公共母線和電力線路或用戶母線和供電線路以及有關設備或裝置進行諧波測量的特定點。

而要弄清楚諧波對于電網(wǎng)系統(tǒng)的干擾和影響，就必須結合背景諧波概念來幫助理解實際應用中，利用對諧波測量點選取不同，觀察測量位置諧波含量變化，更好的分析諧波對系統(tǒng)的影響和干擾。

⑵ 引入背景諧波概念輔助理解

所謂背景諧波就是指的是電網(wǎng)初始狀態(tài)下的諧波情況，它分為兩部分，一部分為上級電網(wǎng)的諧波滲透，另一部分來自本級電網(wǎng)內部諧波源影響，有這個參考點測量點，就可以進行投入用電設備和調諧補償設備前后的對比分析，從系統(tǒng)背景參考點位置獲得諧波對系統(tǒng)影響和變化，實時觀測到諧波電流分布與走向了。

⑶ 應用諧波測量點不同的諧波測量點，比較分析諧波源對系統(tǒng)影響。

① 區(qū)分諧波源受內、外網(wǎng)諧波疊加的影響

先停止系統(tǒng)內所有用電設備，在供電母線側的進線位置，測得背景諧波參數(shù)就是外網(wǎng)帶給用電設備的諧波滲透狀況，再開啟所用用電設備，再次觀測點測得背景諧波參數(shù)，這就是系統(tǒng)內、外諧波源疊加后母線側背景諧波。

② 區(qū)分投入調諧無功補償設備前后的諧波變化情況

開啟系統(tǒng)內所用（部分）用電設備，但停止所有調諧補償設備，在母線進線位置測得背景諧波就是系統(tǒng)內、外諧波源所造成諧波污染原始狀態(tài)，然后分別有層次逐個投入調諧補償設備，同時在同一觀測點監(jiān)測系統(tǒng)諧波參數(shù)變化情況，就可以獲知諧波對系統(tǒng)內設備產(chǎn)生干擾和影響。

③ 區(qū)分諧波對用電設備和補償設備的影響

最后通過就地位置的用電設備和無功濾波補償設備實地諧波參數(shù)的觀測，與設備本身的額定值和運行參量進行比較，就可以清晰看出諧波電流分布走向對設備影響。同時為了區(qū)分電抗器對調諧補償設備濾波效果，還可以局部短接電抗器部分，在就地位置測試一下串聯(lián)電抗器前后，調諧補償設備的諧波參數(shù)變化，來判別電抗器對于調諧補償設備的影響。

2 對于標準中設計方法的濾波器類型確定原則輔助理解

2.1 對于本標準第6節(jié) 6.1項濾波器類型確定的釋義

2.1.1 常用濾波器種類和分工

單調諧濾波器，最簡單，應用最廣泛。主要用于濾除單一頻率的諧波，雙調諧濾波器，用于濾除兩種頻率的諧波，2階阻尼濾波器，又稱高通濾波器。主要用于濾除某個頻率以上的所有高次諧波，C型濾波器，阻抗特性與高通濾波器相似，但是基波損耗小，主要用于低次諧波多的場合，如諧波源為電弧爐的用電系統(tǒng)。

2.1.2 引入諧波電流特性曲線來理解6.3項濾波裝置組合的搭配意義

電力系統(tǒng)中主要諧波源為電流源，其主要特征是外阻抗變化時，電流不變，根據(jù)諧波電流在系統(tǒng)支路和電容器支路中的分配與各支路的阻抗成反比，可得到回路的基本特性方程，由特性方程可以繪制出系統(tǒng)諧波電流諧振特性曲線，如下圖：

⑴ 諧波電流諧振的特性曲線的物理意義就是對所畫定的區(qū)域有一個定性分析。

① 抑制諧波的濾波補償區(qū)：電容器支路對該次諧波成感性。該區(qū)域是抑制諧波的濾波補償區(qū)。

②自然補償區(qū)：電容器支路對該次諧波均成容性，系統(tǒng)和電容器兩支路諧波電流都受到不同程度的放大。電容器支路不串電抗或僅串電抗率很低的電抗仍能進行正常的無功補償，故該區(qū)域可稱為自然補償區(qū)。

③ 諧波電流的諧振區(qū)：電容器支路和系統(tǒng)支路諧波電流都會被嚴重放大甚至發(fā)生諧振，

④ 全濾波補償區(qū)：對諧波呈串聯(lián)諧振狀態(tài)。此時由于對該次諧波阻抗為0，該次諧波全部流入該電容支路。于是該點就是濾除該次諧波最佳位置，實際的濾波支路工作點就在該點附近。

⑵ 很顯然濾波器是工作在濾波補償區(qū)。

無源濾波補償在電容器支路中串聯(lián)了足夠大的電抗使得ξ再變?yōu)檎?，則電容器支路對諧波呈感性。系統(tǒng)諧波電流就不再被放大。電容器支路流進了部分諧波電流，分流了注人系統(tǒng)的部分諧波電流。即此時電容器支路不僅能對基波進行有效的無功補償，而且還能濾去部分諧波電流。

2.2，由此分析就不難理解濾波器組合原理

標準中6.3.2項濾波器組合原則：在滿足無功補償，諧波濾波和電壓波動指標的前提下，力求濾波器數(shù)量最少。

說明在濾波補償區(qū)里，濾波回路在做到最大濾波效果同時，既要補償工頻回路無功需求，也要注意系統(tǒng)諧振點對于無源濾波補償影響。

3、對于標準中設計依據(jù)中安全運行要求的理解

3.1 濾波器并聯(lián)諧振次數(shù)計算公式：

此式給出了諧波次數(shù)與母線短路容量、電容器組容量以及電抗率之間的關系。它同樣滿足“電容器的容量增加，使諧振點向低值移動；母線短路容量的增加，使諧振點向高值移動”的結論。同時，我們更加關心的是，高壓濾波器濾除的諧波次數(shù)和它們與系統(tǒng)電抗引起的并聯(lián)諧振的次數(shù)之間的關系。

3.2 系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振時，諧振次數(shù)與母線短路容量和電容器的關系：

① 電容器的容量的增加，使諧振次數(shù)向低值移動。

② 母線短路容量的增加，使諧振次數(shù)向高值移動。

3.3 為避免投切濾波器時發(fā)生諧振，濾波裝置各路濾波器的投切次序：

投人時，應先低次后高次；

切除時，應則先高次后低次。

3.4 以上輔助分析可以更好理解標準第5.2節(jié)的安全運行要求中濾波器投切策略的問題了。

標準第5.2.7.7項中明確指出：多個濾波器組成的濾波裝置，不同調諧頻率的濾波器之間應設置適當?shù)耐肚虚]鎖，保證不同調諧頻率的濾波器投切時不會出現(xiàn)系統(tǒng)諧波放大，投入時按調諧頻率由低至高逐級投入，切除時則相反。、

4、對于標準中濾波裝置接線方式注意要點

4.1 串聯(lián)濾波電抗分為兩種：鐵芯電抗器和空心電抗器。

從全面經(jīng)濟角度對比有設計者根據(jù)濾波技術要求靈活選配不同形式電抗器

鐵芯電抗器：適用于不發(fā)生飽和現(xiàn)象回路，即回路中電流不會發(fā)生很大變化，即使變化也不會持續(xù)很長時間，主要針對諧波源負荷變化不大或變化不頻繁系統(tǒng)中應用。

空心電抗器：適用于電流變化個很大而且需要電抗值有線性特性場合，即電抗器線圈外沒有鐵磁性材料，不會發(fā)生鐵磁飽和以及磁滯現(xiàn)象場地，主要針對諧波源負荷變化比較快且負荷電流波動頻繁系統(tǒng)中應用，例如：軋鋼機頻繁過鋼，電流諧波變化快且頻繁。

4.2 濾波電抗器兩種接線方式不同關注點。

⑴ 電抗器前置與后置區(qū)別

標準6.2.2項中電抗器前置接線中描述：圖2 a)為電抗器前置接線，電抗器本體對地絕緣，當濾波電抗器與電容器連線發(fā)生對地短路或電容器發(fā)生全部擊穿時，濾波電抗器將承受短路電流和電壓，其動、熱穩(wěn)定要求同斷路器相同。

這一點說明電抗器前置是對高壓電抗器絕緣和材質、以及工藝要求較高。

標準6.2.2項中電抗器后置接線中描述：圖2 b)為電抗器后置接線，當濾波電抗器與電容器連線發(fā)生對地短路或電容器發(fā)生全部擊穿時，濾波電抗器被旁路，短路電流小于濾波器正常工作電流，僅當電容器組被全部擊穿時，電抗器動、熱穩(wěn)定要求同斷路器相同。

這一點說明電抗器后置是對高壓電抗器要求略低一些。

⑵ 電抗器前置與后置配置

標準6.2.2項中電抗器前置接線中描述：對于高壓濾波器，一般推薦采用電抗器前置接線方式，這樣可以限制短路電流，同時電容器可采用雙星型接法，便于不平衡保護。通常大都濾波空心電抗器串聯(lián)方式都選擇前置式。

標準6.2.2項中電抗器前置接線中描述：對于耐受短路電流能力較差電抗器，如容量小的扁形電抗器，一般考慮電抗器后置接線方式。通常大都濾波鐵芯電抗器串聯(lián)方式都選擇這種形式。

5 結語

本文通過實際應用經(jīng)驗，以及結合相關概念引入說明，對《高壓濾波裝置設計與應用導則》中的一些重點概念，及應用關鍵論述點做了一些輔助閱讀淺析和導讀，試圖以此讓大家更好理解本標準相關實際內容，領悟好標準正確含義，應用好標準先關規(guī)定，為依照國標相關規(guī)定設計好高壓濾波裝置，同時使用好標準相關設計、檢驗、調試規(guī)范做一個好的引導與借鑒。

參考文獻：

[1] 《高壓濾波裝置設計與應用導則》 2011-07-27發(fā)布 2011-12-01實施

[2] 冀向華《調諧型無功補償裝置選型設計》 2007年PAE應用論文，2007

[3] 盛小偉、黃梅《無功補償電容器組的并聯(lián)諧振分析》《電力電容》，2006.05

[4] 鄭元學《電網(wǎng)含諧波源時的無功補償分析》《建筑電氣》，2000.01

作者簡歷：

趙國強

出生年月：1970.02.24 學歷：大專

身份證編號：420601197002244519

畢業(yè)院校及專業(yè)：北京航空航天大學空調制冷及其測試技術

供職：湖北萬洲電氣集團有限公司武漢研發(fā)中心襄陽分部

單位地址：湖北省襄陽市長征路58號