林森　彭晶　張正陽(yáng)　蘇展

摘要：在天然氣管線的壓氣站建設(shè)中，大功率變頻器作為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)用電機(jī)的調(diào)速裝置，是天然氣管線中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備。由于大功率變頻器相對(duì)來(lái)說(shuō)容量較大，占?jí)簹庹緝?nèi)變壓器容量的比例較為顯著，對(duì)壓氣站的諧波污染問(wèn)題已不容忽視。文章分析了天然氣管線壓氣站變頻器諧波產(chǎn)生的原因及其危害，通過(guò)對(duì)如何抑制諧波污染問(wèn)題進(jìn)行探討，在實(shí)際工程中得出有效的抑制方法。

關(guān)鍵詞：天然氣管線；壓氣站；變頻器；諧波治理；諧波污染

中圖分類(lèi)號(hào)：TE978 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）34-0115-02

隨著國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)天然氣的需求逐年增加，天然氣管線建設(shè)高速發(fā)展，在天然氣管線的壓氣站建設(shè)中，大功率變頻器作為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)用電機(jī)的調(diào)速裝置，是天然氣管線中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備。由于大功率變頻器相對(duì)來(lái)說(shuō)容量較大，占?jí)簹庹緝?nèi)變壓器容量的比例較為顯著，對(duì)壓氣站的諧波污染問(wèn)題已不容忽視。

天然氣管線壓氣站驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的變頻器一般功率在10～18MW之間，近年來(lái)，采用變頻器進(jìn)行壓縮機(jī)調(diào)速的壓氣站逐漸增多，以變頻器為代表的電力電子裝置已經(jīng)成為壓氣站電氣系統(tǒng)中最主要的諧波源之一。由于變頻器由大功率電力電子元器件組成，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高次諧波電流，從而對(duì)壓氣站的供電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。隨著變頻器技術(shù)和抑制變頻器諧波技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有多種抑制壓氣站內(nèi)諧波的成熟方案可供選擇，但針對(duì)不同工程，仍有必要根據(jù)實(shí)際工況對(duì)變頻器諧波的影響和治理進(jìn)行更深入的研究。

1 諧波的影響

天然氣管線壓氣站內(nèi)電氣設(shè)備較多，作為天然氣輸送的關(guān)鍵站場(chǎng)，一旦發(fā)生故障，將影響整個(gè)下游的天然氣輸送，而諧波污染作為影響壓氣站的外電電源及鄰近用電設(shè)備的正常運(yùn)行的因素之一，在壓氣站建設(shè)中必須得到足夠的重視。

1.1 諧波對(duì)電網(wǎng)的影響

壓氣站內(nèi)由于設(shè)置有大功率變頻器，需要從公共電網(wǎng)側(cè)取得電源來(lái)保證設(shè)備用電，雖然諧波電流與基波電流相比不大，但導(dǎo)線的集膚效應(yīng)使諧波引起的附加線路損耗增大。對(duì)于采用電纜的輸電線路，諧波會(huì)加速電纜絕緣的老化，縮短了電纜的使用壽命。對(duì)于架空線而言，電暈的產(chǎn)生和電壓峰值有關(guān)，由于諧波的存在，其電壓峰值可能超過(guò)允許值而產(chǎn)生電暈，引起電暈損耗。諧波對(duì)電網(wǎng)的危害除造成線路損耗外，更重要的是使供電質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線過(guò)載過(guò)熱、絕緣損害，甚至引起火災(zāi)。一旦發(fā)生事故，不僅會(huì)影響壓氣站的正常運(yùn)行，還可能會(huì)對(duì)上級(jí)變電所的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

1.2 諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

壓氣站內(nèi)變頻器通過(guò)同步電機(jī)對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行調(diào)速，隨著頻率的增加，電動(dòng)機(jī)的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗將隨之增加。同時(shí)，諧波電流的通過(guò)將引起電動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)。由于諧波造成變頻器的輸出波形失真，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣。壓氣站內(nèi)采用的電動(dòng)機(jī)放在壓縮機(jī)廠房?jī)?nèi)，為防爆電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)的絕緣一旦發(fā)生損害，存在巨大的事故風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 諧波對(duì)變壓器的影響

諧波電流流入變壓器時(shí)，將會(huì)在變壓器內(nèi)部產(chǎn)生附加損耗，從而引起過(guò)熱，使絕緣介質(zhì)老化加速，導(dǎo)致絕緣損壞，并造成容量裕度減少，諧波電流還會(huì)引起變壓器外殼、外層硅鋼片和某些緊固件的發(fā)熱，并有可能引起變壓器局部溫度上升。壓氣站一般在人煙稀少地區(qū)，一旦變壓器發(fā)生故障，其維修時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，將影響壓氣站的運(yùn)行，并對(duì)上下游供氣均產(chǎn)生不利影響。

1.4 諧波對(duì)繼電保護(hù)和電力測(cè)量的影響

壓氣站內(nèi)設(shè)置有變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)壓氣站內(nèi)的電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)、數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，諧波會(huì)改變保護(hù)繼電器的性能，對(duì)某些類(lèi)型的繼電保護(hù)，如晶體管整流型距離保護(hù)、變壓器及母線復(fù)合電壓保護(hù)等，將受諧波的影響較大。

壓氣站內(nèi)使用電氣系統(tǒng)常用電流表、電壓表、功率表等電子儀表對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、計(jì)量。變頻器諧波產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)這些儀表的運(yùn)行將產(chǎn)生不同程度的影響，降低其計(jì)量精度，諧波電流過(guò)大時(shí)可能燒毀儀表線圈。

1.5 諧波對(duì)電力電容器組的影響

并聯(lián)電容器的容性阻抗特性以及阻抗和頻率成反比的特性，使得電容器容易吸收諧波電流而引起過(guò)載發(fā)熱，諧波電壓與基波電壓峰值發(fā)生疊加，使得電容器介質(zhì)更容易發(fā)生局部放電；當(dāng)諧波產(chǎn)生時(shí)，電容器流入大量的電流，增加了局部放電的功率，而絕緣壽命與局部

放電功率成反比，諧波過(guò)大時(shí)，甚至?xí)p壞電力電容器。

1.6 諧波對(duì)通訊系統(tǒng)、電子設(shè)備的影響

壓氣站內(nèi)通訊系統(tǒng)負(fù)責(zé)和公網(wǎng)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，站內(nèi)電子設(shè)備較多，變頻器產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)使相位控制設(shè)備的控制信號(hào)及幅度發(fā)生畸變，導(dǎo)致電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)圖形畸變、亮度波動(dòng)和元器件發(fā)熱問(wèn)題、電子設(shè)備誤觸發(fā)、電子元件無(wú)法進(jìn)行測(cè)試等，嚴(yán)重影響其正常工作。諧波產(chǎn)生的諧振可造成鎮(zhèn)流器或電容器的過(guò)熱損壞。同時(shí)諧波干擾會(huì)引起通訊線路、信息線路出現(xiàn)噪聲，降低通話的清晰度，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成信號(hào)的丟失。

2 諧波的治理

壓氣站內(nèi)解決變頻器諧波一般采用兩種方法：一種方法是配置諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都是適用的；另一種方法是采用本身產(chǎn)生諧波很小的變頻器，同時(shí)使其功率因數(shù)可控制為1。這兩種方法在天然氣壓氣站的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要根據(jù)項(xiàng)目的需求進(jìn)行綜合考慮。

2.1 裝設(shè)LC調(diào)諧濾波器

傳統(tǒng)抑制諧波的方法是采用LC無(wú)源濾波器，這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，容易發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。經(jīng)過(guò)實(shí)踐，并不適合天然氣管線壓氣站使用。

2.2 有源電力濾波器（APF）

諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。其補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)阻抗的影響，在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。endprint

2.3 使用無(wú)諧波污染的變頻器

天然氣管線壓氣站內(nèi)主要抑制諧波的方法是使用無(wú)諧波污染的電流源型變頻器和電壓源型變頻器。

電流源型變頻技術(shù)最先出現(xiàn)，其中間直流環(huán)節(jié)使用電感平波，一般使用半控器件可控硅來(lái)實(shí)現(xiàn)電源頻率變換，技術(shù)方案比較成熟，但諧波量大，需要龐大的濾波裝置，對(duì)電源條件要求很高。隨著大容量功率器件IEGT、IGCT的相繼出現(xiàn)，使電壓源型變頻技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展階段，電壓源型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)使用電容平波。從結(jié)構(gòu)上分析，電壓源型變頻器由于脈沖數(shù)量較高，電平數(shù)也較多，故具有更好的輸入輸出波形，總諧波畸變THD<1%，同時(shí)由于沒(méi)有均壓?jiǎn)栴}，系統(tǒng)效率和功率因數(shù)較高，雖然不能四象限運(yùn)行，但壓氣站內(nèi)壓縮機(jī)沒(méi)有四象限運(yùn)行的工況。所以電壓源型變頻器成為目前天然氣管線壓氣站內(nèi)選擇變頻器的主要技術(shù)方案，根據(jù)壓氣站內(nèi)實(shí)際諧波限值要求，主要采用多脈沖整流、隔離變壓器耦合輸出、多電平、單元級(jí)聯(lián)等技術(shù)，針對(duì)仍無(wú)法滿足諧波限值要求的壓氣站，采用輸入側(cè)濾波器

和輸出側(cè)濾波器，使變頻器本體產(chǎn)生的諧波降低到最小。

目前在天然氣管線上應(yīng)用過(guò)的變頻器主要有：西氣東輸一線采用的電流源型變頻器，西門(mén)子公司制造，12脈沖整流方式。采用無(wú)源濾波裝置，主要對(duì)5、7、11次諧波進(jìn)行治理，功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上；西氣東輸二線采用的電壓源型變頻器，日本東芝三菱公司制造，36脈沖整流方式，逆變側(cè)5電平輸入，功率因數(shù)可以接近為1，由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)最大程度上避免了諧波的產(chǎn)生，所以在輸入側(cè)和輸出側(cè)均未設(shè)置濾波器，現(xiàn)場(chǎng)效果良好；國(guó)內(nèi)廠家根據(jù)變頻技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合天然氣管線用變頻器的工況需求，已經(jīng)研制出可以明顯抑制和消除諧波并擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)備，并在西氣東輸二線東段和西氣東輸三線西段等項(xiàng)目上得到應(yīng)用，如上海廣電電氣集團(tuán)研制的電壓源型完美無(wú)諧波變頻器和鞍山榮信集團(tuán)研制的電壓源型H級(jí)橋變頻器，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行反饋，在西氣東輸二線東段的工業(yè)性試驗(yàn)和運(yùn)行階段，其抑制和消除諧波的功能顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

為了防止諧波干擾，天然氣管線壓氣站變頻器在使用過(guò)程中，除了在方案初期就合理選擇變頻器的拓?fù)浞桨负推骷季滞猓€應(yīng)在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段就加強(qiáng)對(duì)輸入輸出線路的隔離和配線方式、高壓電纜和地線的敷設(shè)方式等設(shè)計(jì)事項(xiàng)。同時(shí)在整個(gè)壓氣站的電氣設(shè)計(jì)中，還應(yīng)結(jié)合變頻器的安裝場(chǎng)所、安裝方式、施工注意事項(xiàng)等一系列現(xiàn)場(chǎng)條件，只有綜合考慮抑制諧波的各種方案，才能確保壓氣站內(nèi)設(shè)備的可靠運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：林森（1979-），男，中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司工程師，研究生，研究方向：電氣設(shè)計(jì)。endprint