基于加速器的谐波治理

崔慧东

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 概述

加速器是使带电粒子加速的装置，现广泛应用于非破坏性金属探伤、放射性同位素制造、放射性医疗等领域，加速器是由英国科学家于1919年发明，1955年由中科院原子能所建成我国首台质子静电加速器，之后数十年快速发展，并破除国外技术垄断，如今在一般工业、核工业领域形成了一批由国内企业主导的加速器品牌。无源滤波器最早是于上世纪初由美德两国科学家发明，并与上世纪中叶技术趋于成熟。我国对无源滤波器的广泛使用始自20世纪50年代后期。时至今日，滤波形式多种多样，并发展出更趋完善的有源滤波装置，但无源滤波器依然被广泛使用，另外随着保护装置的智能化进步，无源滤波过去的部分缺陷被明显弱化。加速器配备滤波装置是从工业用电状况出发，考虑工业领域存在大量谐波源，一方面是为减少谐波对加速器的影响，为加速器提供良好的工作环境；另一方面是一定程度的减少工业车间的电能损耗与谐波污染。

1 谐波影响

谐波源一般有如下四种：电力电子器件、变压器、变频设备和其他负载。而谐波对电网及用电设备的危害主要在于：

1）使公用电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低发、输电及用电设备的使用效率，增加电网线损。在三相四线制系统中，零线会由于流过大量谐波电流而过热，部分情况甚至引发火灾。

2）超标的谐波将增加设备及导线的选型难度。导线与中性线根据谐波含量计算截面，当谐波含量超过33%时将按中性线选择截面，并导致导体截面过大。用电设备会因谐波干扰而使灵敏度降低，高次谐波含量较高的谐波电流会降低断路器的开断能力，影响保护装置的正常动作或诱使保护设备误动作。测量仪表也会由于谐波干扰而失真。另外谐波也会促使设备过热及绝缘老化，降低设备的使用寿命。

3）谐波易使电网与补偿电容器之间产生谐振，谐振能将谐波电流放大数倍甚至数十倍，进而形成过电流，烧毁用电设备，严重时甚至引起电容爆炸，形成安全事故。

4）谐波对电力通信设备也同样具有巨大的干扰影响，易生成“噪声”，严重时致使通信设备无法工作。

5）对于加速器设备，由所带负载引起的谐波会影响工作区其他设备的正常运行，而工作区内其他设备所引起的超标谐波也会使加速器运行失常。

因此，消除谐波无论对于电网正常运行还是用户侧用电设备的可靠运转，都具有重要的意义。而在选择滤波方式时，可根据供电网或设备的谐波次数、功率大小，以及经济情况，选用有源滤波或无源滤波等方式。

2 谐波管制标准

为保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，目前许多国家、国际组织以及一些大型电力公司都制定了相应的谐波标准。我国现行谐波治理标准为GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》。其中，谐波电流允许值如表1所示。

3 治理方式

减小谐波影响的技术措施主要有加装有源或无源滤波装置、增加换流装置的脉动数、在用户进线处加装串联电抗器、改善三相不平衡等方法。在对加速器设备进行长期的谐波检测后，发现其谐波主要集中在3次与5次谐波，三次谐波电流含量在一般负载情况下可以达到73%，五次谐波电流含量可达55%。其中，实验带载条件下120Hz重复频率时电压波形如图1所示。150Hz重复频率时电压波形如图2所示。

表1 谐波电流允许值

图1 120Hz重复频率时的电压波形

图2 130Hz重复频率时的电压波形

由此，可根据经济性原则采用无源滤波方式。加速器在有无功补偿装置的作业环境中，应在补偿电容器一侧加装12%～13%的串联电抗器。在没有无功补偿装置的系统中，也可采用无源滤波装置抑制谐波，同时兼顾动态无功补偿作用。

加速器供电电源为相电压220V标称电压，串联电抗器可用于400V，600V的低压系统，且电抗器应能在工频加谐波电流不大于1.35倍额定电流下长期运行，并按国家标准将噪声控制在45dB以内。

串联电抗器可分三类：

1）限流电抗器，电抗率一般小于1%。

2）失谐或消谐电抗器，用以抑制无功补偿电容器引起的谐波放大。

3）调谐或滤波电抗器，既可以抑制无功补偿电容器引起的谐波放大，又具有较强的谐波电流分流作用或滤波作用。当采用调谐电抗器时，电容器亦应采用滤波电容器。

无源滤波是由滤波电容器和电抗器串联构成一个或多个串联谐振滤波支路，分别谐振于需滤除的主要谐波频率，各滤波支路均与谐波负载并联，对负载谐波电流构成分流支路，需要滤除的谐波电流绝大部分被引流至分流支路。并且，分流的谐波不会重新回到主电路中。对于工频基波电压，无源滤波器等同于补偿电容器，可补偿系统所需无功功率。

无源滤波主要有如下方式：

1）单调谐滤波器；

2）双调谐滤波器；

3）双调谐带高通滤波器；

4）二阶高通滤波器；

5）三阶高通滤波器；

6）C型阻尼高通滤波。

其中单调谐滤波器、二阶高通滤波器以及C型阻尼高通滤波器较常用。单调谐滤波器主要针对谐波电流较大的低次谐波，二阶及C型阻尼高通滤波器主要应用于滤除高次谐波。各种滤波方式具体接线如图3所示。

图3 滤波器常用接线方式

本段仅对单调谐滤波进行分析计算，其他接线方式分析方法类似，同时应根据不同环境，对不同接线方式灵活运用。

图3（a）中电容器容量计算公式为：

其中，U为系统相电压有效值，In为系统该次谐波电流有效值。

进而计算电容：

其中，ω为系统基波角速度，U为电容器额定电压。

再根据C和支路谐振频率计算电感L的大小：

其中，n为谐波次数。

根据滤波效果选取滤波支路品质因数Q，一般Q选取范围是30～60，假设电抗器电阻为RL，则需要加的电阻器R的大小为R=n×ω0×L/Q-RL；考虑到散热以及成本问题，在滤波效果满足要求的情况下，也可以不加电阻器。通常，一个调谐支路只能滤除单一频率的谐波电流，所以，当需要滤除多次谐波时，应采用多个调谐支路，分别消除各目标谐波。

4 滤波保护

无源滤波器的工作原理是计算零阻抗、实际环境低阻抗情况下的谐波分流。因此其工作效果将受到电网系统谐波阻抗大小的影响，当系统谐波阻抗较小时，滤波效果较差，当滤波器容量较小时，滤波器谐波阻抗较大，滤波效果同样不理想。另外，还需计算电网阻抗和滤波支路的等效并联阻抗，检验是否会在特征频率下发生并联谐振。同时，进行电力潮流运算，仿真滤波器失谐情况下的滤波性能。

因调谐支路中串联了电感电容等非线性器件，为保证主电网的正常安全运行，需要对调谐支路进行保护校验。首先，保护设施应能支持连接和断开电容器组时发生的瞬态电流，热磁和电子跳闸装置的瞬态保护装置也不会因浪涌电流而跳闸，部分情况下，可采用压敏电阻器抑制浪涌电流。其中，浪涌电流是电容器投切时所引起的瞬时过电流，而过电压的大小则取决于电容器所提供的无功功率及其安装位置。其次，保护设施应支持因电压谐波和额定电容值公差引起的周期性或永久性过电流。

对补偿装置，当电容值超过0.5μF，功率超出0.5Kvar的所有电容器不管其电源电压类型，都建议采用放电电阻，根据《并联电容器装置设计规范》GB50227，低压电容器放电剩余电压应不大于50V，放电时间不大于5s。电容器组放电电阻阻值应按式：

计算，当电容器组三相星形接线时，K值可取1/3。其中R为放电电阻，t为从1.414倍Un到Ur放电时间，约为180s，Un额定电压，Ur允许剩余电压，约为50V，K为相关系数，C为电容。

校核调谐支路各器件的额定电压、额定电流及无功功率的公式如下。

其中，c1，ch、cn依次为基波、谐波和额定值。

当供电交流电压源中的某次谐波与调谐支路中的串联谐振频率相近，可能放大谐波电流，引起干扰和过流，并损坏电网器件，而如果有非线性负载产生的谐波电流流入并联谐振电路，则可能产生过电压。因此，必须确保电网的谐振频率尽可能与出现的谐波频率不同。一般是调整调谐支路中的电抗器，电抗器的规格应确保谐振频率低于电网中谐振电压的最小频率。即符合下式：

其中，Xc1为基频处电容器容抗，XL1为基频处电容器串联的电抗。

5 结束语

无源滤波器相对有源滤波装置结构简单，滤波效果显著，性价比良好。不足在于只能针对某次或某几次谐波进行滤除，无法动态跟踪系统谐波变化而自动调节。基于加速器的无源谐波滤除装置，更多是应用于具有大型负载且精度要求不高的工业车间，并根据具体负荷情况进行设计，可运行在较为复杂和恶劣的环境下。同时，在面向工业探伤、辐照消毒等细分领域，基于加速器的滤波市场前景巨大。另外应市场需求，相关产品目前正在积极研制过程中。

[1]任元会,卞铠生,姚家祎.工业与民用配电设计手册（第三版）[M].中国电力出版社.

[2]JGJ16-2008.民用建筑电气设计规范[S].中国建筑工业出版社.

[3]GB/T14549-93.电能质量 公用电网谐波[S].中国标准出版社.

[4]GB50227-2008.并联电容器装置设计规范[S].中国计划出版社.