磁性滤波在辽河油田的应用

侯建宇

摘 要：本文就油田配电网的主要谐波源及其危害进行分析，并从磁性滤波技术角度提出方案进行治理。

关键词：谐波源；磁性滤波；中频加热；油田

中图分类号：TE357 文献标识码：A

随着“节能降耗”工作的开展，变频调速作为电机启动、控制及节电的新技术，在油田得到大量应用。此外为提高稠油采出量，油田也使用一种中频加热装置加热地脉中的石油，从而使高粘稠度变成低粘稠度的石油来开采。但变频器的固有的非线性负荷（针对电网而言）性质是一把双刃剑，在具有诸多优点的同时，也加重电网谐波污染。

1 谐波的产生及危害

1.1 谐波产生的主要原因。变频器和中频加热装置为辽河油田配电网的主要谐波源。变频器和中频加热装置大量使用了可控、半控或不可控的非线性电力电子元件，它们不是从电网中吸取连续的正弦波，是以脉动的断续方式向所在电网索求电流，进而这种脉动电流与电网沿路阻抗共同的形成脉动电压降叠加于电网电压上，发生电压畸变，形成非同期的正弦波电流，其值是由基波和谐波叠加组成，其中主要特征谐波为5、7、11、13次。谐波对电力系统造成很大的污染和干扰，尤其是对容量小的系统，其损害程度更大。

1.2 谐波对配电系统的危害。（1）影响电气设备寿命。谐波电压的叠加会引起局部放电，且系统的无功补偿电容器通常会放大谐波，加速设备老化，降低绝缘水平，缩短设备电气寿命。（2）影响安全生产。使电容器产生过流和过压，无功补偿无法正常投切，造成电容器烧毁的后果；加大设备震动，增大噪声；继电保护易出现误动作，仪表计量精度将受影响；通信系统会受到干扰；极易产生电网局部谐振。（3）生成附加能耗。造成功率因数降低和无功电流增大，增加变压器与线路的损耗，增加补偿电容器的补偿容量；增大异步电动机发热损耗，同时降低其效率，严重则使其烧毁。以5次谐波电流占有基波电流30%，7次谐波电流占有基波电流15%计算，系统内线路的发热损耗将增加23%，系统内铁芯类设备损耗将增加50%以上。

2 系统治理方案

2.1 指导思想。（1）对系统进行谐波治理，应本着从源头治理的原则，采取就近治理的方式。（2）在变频器装配较多的配电系统，考虑到配电室空间问题，将在变压器低压母线上进行谐波综合治理， 在滤除谐波的同时补偿系统所需无功功率，提高功率因数。

2.2 方案制定

2.2.1 单变频器谐波治理。（1）技术分析。变频器和中频装置的特征谐波以5、7、11、13次为主，谐波电流含有率和电压畸变率都处于高值。变频装置的固有功率因数非常高，理论上接近于1，变频系统配电回路功率因数一般在0.70-0.86之间。目前，国内外谐波治理技术主要有无源滤波和有源滤波，无源滤波技术是通过电容电抗串联组成谐振回路，对某一特定频率的谐波进行滤除。该方法在滤波的同时存在无功补偿，这对固有功率因数很高的变频设备极易造成过补偿，烧毁变频器，引发系统谐振，因此无源滤波方式不适用于变频调速系统的滤波。有源滤波技术是通过跟踪线路电流的变化，产生与谐波电流相位相反的电流来进行谐波抵消滤除。它要消耗与谐波功率同等的电能，另外，其内部电子元件很多，可靠性差，维护量大，价格较贵。磁性滤波以移相技术与电磁转换原理为基础，谐波电能最终转为磁能形式。谐波电流产生的磁场在磁性滤波器特殊品字形磁路结构中，被分解为方向相反的磁通，在铁芯磁路中相互抵消，从而达到对电能谐波滤除的目的。如图1中所示：a、b、c分别为三相谐波电流，在品字形结构和特定磁路的作用下，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；（另外b、c相工作原理同a相）。谐波产生的磁场在铁芯中的形成的抵消效果如图2所示，经移相偏移后，n次谐波在铁芯中产生的磁场为Bnˊ 和Bn，Bnˊ 和Bn方向相反，大部分被抵消，抵消后的磁场无法感应出原来的谐波电流。磁性滤波技术在消除系统谐波的同时，提高了系统功率因数，抑制了电涌并且可以改善三相不平衡。

2.2.2 母线综合谐波治理。母线综合谐波治理采用智能型连续可调磁性滤波装置，本装置基于磁性滤波原理，将磁性滤波和无功补偿集成在1套装置中：一般补偿柜可以有滤波功能，但滤波通道单一，且滤波效果差，這是因为要达到较高的滤除率将导致无功严重过补，系统处于非稳定状态，容易谐振。而连续可调磁性滤波补偿装置采用磁性阀器件，构成一条感性支路，与容性支路并联，实时吸收或释放容性功率，原理见图3。通过控制程序实时调节磁性阀器件电流来改变三相主线圈激磁电抗和激磁电流，从而调节由可控电抗器生成的感性电流。同时感性电流与多余的容性电流中和，吸收过补容性电流。感性电流可以随着负荷的波动不断的改变，消化多余的容性电流，进而达到稳定功率因数和滤除系统谐波之目的。

2.3 方案实施。针对油田内变频安装的现场实际情况，提出三种方案进行实施，以便针对不同系统现状及投资规模进行选择。（1）在变频器和中频装置的进线柜电源输入侧安装一台磁性滤波装置，此方案可滤除变频器和中频装置的谐波并降低电压谐波总畸变率，使其不对公共用电电网造成污染，抑制电源电涌，同时提高功率因数。（2）在每台变频器三相电源输入侧各安装一台磁性滤波装置，可滤除变频器谐波，使其不对公共用电电网造成污染，抑制电源电涌，同时提高功率因数。（3）在装有变频器数量较多且因现场条件限制配电室空间紧张的站点进行母线滤波补偿综合治理。

结语

磁性滤波技术在辽河油田部分采油厂开展了小范围的实验性应用，实践证明，滤波效果明显，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] GB/T26870-2011，电能质量公用电网谐波[S].