低压磁性滤波技术应用

陈英杰（辽河油田公司质量节能管理部）

低压磁性滤波技术应用

陈英杰（辽河油田公司质量节能管理部）

谐波属于无用波，是衡量电能质量的重要指标，它在电网中的流通将增加能耗，表现在线损、变压器铜损、铁损及设备损耗等方面，同时造成这些设备发热、振动及噪音增加，甚至导致线路及电器设备的绝缘击穿。针对油田电网存在谐波的实际情况，开展了谐波治理技术研究，提出采用磁性滤波技术，通过磁性材料的特殊品字型对称结构，消除磁路中的谐波分量。油田现场应用达到了较好的效果，实现了消除谐波、节能降耗的目的。

电力系统 谐波 低压磁场 滤波装置

近年来随着大量非线性负载设备在沈采低压电网的使用，导致电能质量发生改变，电流波形不再和电网电压的正弦波一致，产生畸变现象。沈采低压电网谐波源主要是变频器和中频加热装置，因其内部含有整流环节，出现 5、7、11、13 次谐波，这些谐波为供电电网和负载带来诸多影响和干扰。

1 谐波危害

谐波属于无用波，谐波在电网中的流通将增加能耗，表现在线损、变压器铜损、铁损及设备损耗等方面，同时造成这些设备发热、振动及噪音增加。谐波容易造成设备局部放电及绝缘击穿，增加维护/维修工作量，减少设备电气寿命，使精密敏感负载遭受损坏，接触器线圈发热烧毁。据统计，近三年来采油二区因谐波致使接触器线圈烧毁的有百余次。谐波干扰无功补偿装置的正常运行，造成无功补偿装置跳闸、电容器不能正常工作，甚至烧毁；谐波还可能被放大，这将对用电设备和输变电线路造成进一步的损害。谐波影响设备的正常运行，造成对弱电及通讯信号的干扰，导致设备无故跳闸或运行异常、计量出错、通讯系统受干扰等，例如断路器跳闸，熔丝熔断，计量仪表计量不准确等。谐波治理是保证安全生产的重要环节之一，既可滤除电网中的有害谐波，同时又提高功率因数，保证设备平稳节能运行。

磁场滤波技术是利用电磁转换原理和软磁材料，将电能谐波转换为磁能。谐波电流产生的磁场在磁性滤波器特殊的品字形结构内部分解为方向相反的磁通，在铁芯磁路中直接抵消，没有谐波磁通就无法感应谐波电流，从而达到滤除电能谐波的目的。磁场滤波是专门针对变频器这种谐波含量大、自身功率因数高的变流类设备研发的新型滤波技术，不存在电容器补偿，不涉及过补问题。磁场滤波技术不但能消除系统谐波，还能够提高功率因数和 改 善 三 相 不 平 衡[1]（图 1）。

图1 磁性滤波原理示意图

图 1 中 a、b、c分 别 代 表 三 相 谐 波 电 流 ， 在 品字形结构和特定磁路作用下，a相谐波磁场向c相磁场偏移后返回a相，形成方向相反的磁束，在铁芯 内 抵 消 （b、 c 相 工 作 原 理 相 同）[1]。

谐波产生的磁场 在铁 芯中 的抵 消效果 （图 2），经移相偏移后 n次谐波在铁芯中产生的磁场为和和 Bn方向相反，大部分被抵消，抵消，抵消后 的磁场无 法 感 应 出 原来的谐 波 电 流[1]。

2 工艺原理

图2 谐波磁场抵消示意图

磁性滤波器的阻抗特征和品字型对称结构设计同时起到抑制浪涌和改善三相不平衡的作用。

3 现场试验

为摸清磁性滤波器性能效果的详细资料，选取某采油区 16#站变频外输泵进行滤波试点，外输泵所属变压器容量为 200kVA，外输泵功率 37kW，变频器功率为 45kW。采用型号为 PMHT1000-0.4-30 的磁性滤波装置 （图3）作为临时样机进行滤波试验。电能质量监测仪器采用法国 CA8334三相电能质量监测仪，测量方式为三相三线制。测试时变频器运 行频率 为 50Hz， 录 取数据 均大于 100 条，数据采集间隔为 1s。

图3 磁性滤波装置

根据谐 GB/T14549 国家标准要求 ：0.38kV 电压总谐波畸变率小于5%。谐波电流评估标准值采用GB/Z17625.6—2003 规 定 的 计 算 方法。

按此变频 器 配 电 回 路 总 开 关 额 定 电 流 200A计，其瞬动保护的电流整定值按11倍计算，则电网分配给变频器配电回路与电网连接PCC点的最大短 路 电 流 为 2200A， 则 最 大 短 路 容 量 Ssc=2200×， 系 统 短 路 容 量 与 设 备 额定 容 量 的 短 路 比 Rsce=Ssc/Sequ=1524.2/45=33.87。 短路 比 Rsce≥33， 符 合 GB/Z17625.6— 2003 第 5.1 条 简化连接的标准规定，如表1所示。

表1 第 1 级简化连接设备的谐波电流发射值（ Sequ≤ Ssc/33）

根 据表1计 算 谐波电 流 限值 ：45kW 变频 器 额定 电 流。5、7、11、13 次 电流 限 值 分 别 为 I5N=65 × 10.7% ≈7A； I7N=65 × 7.2% ≈4.7A； I11N=65 × 3.1% ≈2A； I13N=65 × 2%= 1.3A。

4 测试评估

滤波前后测试数据见表2。

表2 磁性滤波器投入前后变频器电源侧测试数据

1）原变频器配电回路电压总谐波畸变达5.2%，超 出 国 家 标 准 5% 的限值； 进 行 谐 波 治 理后，电压总谐波畸变率在2%以下。

2）原变频器配电回路中 5、7、11、13 次谐波电流超标；进行谐波治理后，5、7、11、13次谐波电流滤除率在 60%～70%左右，符合谐波电流发射的标准规定。

3）原 变 频 器 配 电 回 路 功 率 因 数 约 为 0.85， 治理后的功率因数提升到 0.98。

4）负载总有效电流值明显降低，降低幅度约为 12%。

5）治理后，电压波形为更光滑的正弦波；电流波形连续性变好，由原来的双峰波向正弦波趋近，并消除了变频器开关元件周期断开所形成的电流为零的死区。

5 现场实施

根据上述试验结果，在采油区 19口电加热油井推广试验安装 19台低压磁性滤波装置，检测口测试井综合节能率为 4.11%，电压总谐波畸变率由9.80% 下 降 至 4.71% （表3）， 单 井 平 均 降 低有功功率 5.78kW， 年 节 电 量 96.2 × 104kWh。 由 于 有 效 地降低了线路高次谐波分量的幅值，从而降低了设备因绝缘击穿等损坏的几率，节约了设备维修费用。

表3 磁性滤波器测试数据

6 结论

低压磁性滤波装置可应用在变频器、中频加热装置系统中，此类装置均属于谐波源设备。由于这类谐波源设备在低压电网中的大量使用，致使电网电压总谐波畸变率、电流谐波含量超标，给电力系统运行造成不良影响。磁性滤波器能有效减少谐波电流损耗，降低设备因高次谐波致使绝缘损坏的概率，同时提供就地补偿功能，是保障安全生产和节能降耗的有效方法。

[1]周胜利,马金玉.油田电能质量治理可行性研究[J].石油石化节能,2012(4):6-8.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.010.008

2013-05-16）

陈英杰，工程师，1987年毕业于长春建筑专科学校 （供热通风专业），1997 年毕业于沈阳建工学院 （供热通风与空调专业）， 从 事 质 量 节 能 综 合 管 理 工 作 ， E-mail： starmq@163.com， 地址：辽宁省盘锦市兴隆台区辽河油田质量节能管理部，124010。