劉磊 李波 周勝利 梁策 (中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心)

油田電網(wǎng)中諧波的危害與電能質(zhì)量測(cè)試

劉磊 李波 周勝利 梁策 (中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心)

油田電網(wǎng)中諧波的存在具有多方面危害：導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)溫度升高和損耗增加；降低無(wú)功補(bǔ)償電容器的使用壽命；增大變壓器的損耗；影響電子式計(jì)量?jī)x的準(zhǔn)確性。測(cè)試機(jī)構(gòu)按照電壓等級(jí)采用直接和間接兩種測(cè)試方法對(duì)電網(wǎng)中的諧波進(jìn)行測(cè)量。

油田電網(wǎng) 諧波危害 電能質(zhì)量測(cè)試

由于油田企業(yè)對(duì)油田開(kāi)采節(jié)能方面的重視和電力電子技術(shù)的發(fā)展，在油田設(shè)備中應(yīng)用了大量具有非線(xiàn)性特性的節(jié)能裝置，包括各個(gè)轉(zhuǎn)油站和注水站應(yīng)用的變頻器，抽油機(jī)電動(dòng)機(jī)使用的變頻器、可控硅調(diào)壓裝置、控制器等。這些非線(xiàn)性裝置可能對(duì)電網(wǎng)中的供電設(shè)備造成危害。

1 諧波的危害

電力電子器件的非線(xiàn)性負(fù)載的使用會(huì)引起油田電網(wǎng)中電流和電壓波形畸變，即產(chǎn)生諧波（圖1），從圖1可以看出，正常為正弦波的電壓在峰值部分變得比較尖，電流波形則為典型的使用變頻器產(chǎn)生的電流。

圖1 含有諧波的電壓和電流波形圖

電壓的畸變可能對(duì)油田電網(wǎng)中的供用電設(shè)備造成危害。

1.1 對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

正常情況下電網(wǎng)電壓波形和電動(dòng)機(jī)電流波形都應(yīng)該是正弦波，而由于電網(wǎng)諧波的存在，會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，因此導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)變慢和運(yùn)行性能不穩(wěn)定，產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的溫度升高和損耗增加，甚至造成設(shè)備損壞。

1.2 對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器的影響

由于企業(yè)對(duì)節(jié)能的重視，很多站或者單井都安裝有無(wú)功補(bǔ)償電容器，用來(lái)提高機(jī)井功率因數(shù)，減小損耗。當(dāng)諧波頻率與系統(tǒng)中的諧振頻率耦合時(shí)，會(huì)造成電容器過(guò)電壓或過(guò)電流，使電容器絕緣老化，影響使用壽命，甚至直接燒毀電容器。

為了提高功率因數(shù)，往往需要在功率因數(shù)較低的線(xiàn)路并聯(lián)電容器，模型簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 并聯(lián)諧振電路圖

輸出端口導(dǎo)納：

式中 ω——角頻率；

R——電阻；

C——電容；

L——電感；

G——等效電導(dǎo)。

等效導(dǎo)納為：

當(dāng) B(ω)=0時(shí)發(fā)生諧振，也就是

當(dāng)電源中含有高次諧波，而且某次諧波剛好與諧振頻率相等時(shí)(ω=ω0時(shí))，電路就會(huì)發(fā)生諧振。發(fā)生諧振時(shí)各處電流為：

由公式可知，當(dāng)諧振頻率較高時(shí)發(fā)生諧振，電容器會(huì)負(fù)擔(dān)較大的電流，一旦超過(guò)電容器的額定電流則會(huì)造成電容器的燒毀或者減少電容器的使用壽命。

1.3 對(duì)變壓器的影響

諧波電流流經(jīng)變壓器繞組會(huì)增大損耗，使繞組發(fā)熱，加速絕緣老化，并產(chǎn)生噪聲。

1.4 對(duì)計(jì)量的影響

諧波的存在會(huì)對(duì)電子儀器產(chǎn)生干擾，因此影響電子式計(jì)量?jī)x的正常工作，如電磁流量計(jì)等。傳統(tǒng)有功表不能用來(lái)計(jì)量諧波含量較高的用電設(shè)備，因?yàn)樗鼈冇?jì)量的電能偏低。在計(jì)量?jī)x表選型時(shí)應(yīng)該考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)諧波對(duì)儀表的影響，以保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2 諧波測(cè)試

油田電網(wǎng)中諧波的測(cè)試變得越來(lái)越多，也越來(lái)越重要。然而其測(cè)試的復(fù)雜程度也較高，下面就測(cè)試中需要注意的問(wèn)題予以說(shuō)明。

2.1 測(cè)試對(duì)象分類(lèi)及測(cè)試方法

首先按照電壓等級(jí)的不同分為低壓測(cè)試（380 V等級(jí)）和高壓測(cè)試（大于1 000 V等級(jí)），并分別采用直接測(cè)試和間接測(cè)試方法。

高壓測(cè)試采用間接測(cè)量，也就是測(cè)量電壓及電流互感器的二次側(cè)。根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》附錄D的要求：電容式電壓互感器不能用于諧波測(cè)量。在諧波電壓測(cè)量中，對(duì)諧波次數(shù)或測(cè)量精度有較高要求時(shí)，應(yīng)采用電阻分壓器（UN＜1 kV）或電容式分壓器（UN≥1 kV），因此對(duì)于6 kV或10 kV等級(jí)的電網(wǎng)測(cè)試要先考察電壓互感器的類(lèi)型。

由于電流互感器二次側(cè)輸出電流往往很小，因此需要確定電流范圍，儀器需要選擇適合量程的電流互感器，以免影響測(cè)量精度。

低壓測(cè)試也需要選擇合適的測(cè)點(diǎn)：可以選擇測(cè)輸油（注水）站公共連接點(diǎn)（變壓器母排）的諧波含量，也可以對(duì)諧波源（設(shè)備）進(jìn)行測(cè)試。

2.2 選擇測(cè)點(diǎn)

公共連接點(diǎn)諧波測(cè)點(diǎn)和諧波源諧波測(cè)點(diǎn)見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 公共連接點(diǎn)諧波測(cè)點(diǎn)圖

測(cè)點(diǎn)的選擇還應(yīng)該便于安裝測(cè)試線(xiàn)并且保證安全。諧波測(cè)試時(shí)必須選用有零線(xiàn)的線(xiàn)制，測(cè)試時(shí)必須區(qū)分地線(xiàn)和零線(xiàn)，否則會(huì)造成錯(cuò)誤。

圖4 諧波源諧波測(cè)點(diǎn)圖

此外需要選用準(zhǔn)確度等級(jí)高且易用性好的儀器，并且需要對(duì)測(cè)試人員進(jìn)行培訓(xùn)，以保證測(cè)試的準(zhǔn)確度。

[1]GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.016

2010-11-28）

劉磊，畢業(yè)于燕山大學(xué)，助理工程師，從事節(jié)能監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)工作，E-mail：daqingliulei@yahoo.cn，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中心，地址：大慶市讓胡路區(qū)西賓路552號(hào)，163453。