临江泵站新泵房谐波分析与治理

摘. . 要：通过对临江泵站新泵房 0.4KV?I 段供电系统进行谐波监测，分析 I 段母线谐波状况，增设有源滤波装置，达到改善电源质量，确保设备安全运行。

关键词：谐波监测、分析、治理、有源滤波装置

1 项目背景

上海城投原水有限公司黄浦江原水厂始建于 1986 年 4 月，拥有临江、严桥两座大型泵站。1987 年 7 月 1 日，黄浦江上游引水一期工程建成通水，日供水量 230 万立方米，为杨树浦水厂、南市水厂、陆家嘴水厂、杨思水厂、居家桥水厂供水。1997年 7 月 1 日，黄浦江上游引水二期工程建成通水，临江泵站新泵房建成，向临江水厂、杨思水厂供水。2010 年 12 月底，青草沙原水工程严桥支线开始切换。至 2011 年 6 月，我厂完成了青草沙原水的切换工作，由黄浦江原水转换为青草沙原水，形成了新老系统互为备用的运行模式。新模式下，临江泵站拥有新、老两座泵房，老泵房负责向长桥水厂及徐泾泵站供水，日供水量 150 万吨，新泵房负责向临江水厂供水，日供水量 60万吨。

新泵房拥有 10 台 0.4KV 机泵，其中 3 台为变频控制，其它均为软起动控制。10 台机泵平均分配在两段 0.4KV 母线上，并在每段配备了一套电容器柜，内含 10 组电容器。3 台变频运行时均存在频繁跳车现象，且每年母线补偿电容器或其熔断器均有不同程度的烧毁。

图 1 新泵房变配电系统图

2 谐波产生原因分析

对新泵房主辅设备的配置情况和运行工况进行排摸分析，得出以下推断：

1).变频器及软起动器主要采用三相桥式整流（6 脉冲），主要产生 5 次或 7 次谐波电流。变频器的整流回路是由大功率二极管组成电路，输入电流波形为不规则的矩形波，其波形按傅里叶级数进行分解，除了得到与电源基波频率相同的分量外，还有一系列大于电源基波频率分量的高次谐波。同理，在逆变输出回路中，输出电流信号受载波信号调制而变成脉冲波形，其波形按傅里叶级数进行分解，也分得基波和各次谐波。

据此，变频器运行中必然会产生高次谐波。

2).工厂内弱电系统很多，有设备控制系统（PLC 控制）、厂区通信系统、厂区监控系统等。其中许多电子设备均使用开关模式电源，从而使各弱电系统内产生大量的 3 次及高次谐波[1] 。

3).为提高功率因数及配电变压器的利用率，新泵房6/0.4kV 降压变配电室 0.4kV 母线上都设置了电容器补偿柜。

由于并联电容器容抗随电流频率的增加而减小，电容器组对谐波电流的低阻抗特性表现出了对谐波的吸收作用，所以电容器组具有一定的滤波作用。谐波电流的存在可能会使电容器过流发热，甚至击穿绝缘。尤其是当发生某一谐振时，谐波电流会很高，情况更为严重。目前电容器组前一般串联电抗器，但由于设计原因，现有电抗器的电抗率太小，根本起不到抑制谐波的作用，只起到了限制电容器合闸涌流的作用。

综上所述，初步推断是电网谐波所致。因此，对新泵房0.4KV I 段母线做了谐波监测。

3 谐波监测分析

3.1 现场供电状况

临江泵站新泵房共有 2 台 6KV/0.4KV 的变压器，其中 I段母线系统中各安装一台 250kW 和 315kW 变频装备，其余 3台均为软启动设备。

表 1 变频器参数

设备

名称

输入电压

（V）

输出电压

（V）

输出电流

（A）

输出频率

范围（Hz）

脉冲

数

输入电抗器

1#变

频器

400 0-400 0-456 25-50 6

电流 530A，

电感 0.026mh

8#变

频器

400 0-400 0-650 25-50 6

电流 630A，

相电压降

4.43V

3.2 监测情况

3.2.1 监测内容

在变压器 0.4KV 侧 I 段进线柜上端对 I 段母线电能质量进行 48 小时监测，重点记录在变频设备全部使用的情况下，母线系统中电压电流谐波畸变量和电流各次谐波畸变量。

3.2.2 监测仪器

1. 法国 Chauvin Arnoux CA8335 功率分析仪

2. HP 笔记本

3. 电压比：0.4KV/0.4KV

4. 电流比：自动环形线圈

3.2.3 监测数据

表 2 低压 I 段母线系统监测数据汇总表

名称

A 相 B 相 C 相

最大值 最小值 最大值 最小值 最大值

最小

值

线电压（V） 404.4 391.6 402.8 389.9 403.3 390.5相电压（V） 233.4 226.1 233.2 225.8 232.1 224.7电流（A） 1547.8 577.9 1566.3 571.9 1514.9 545.7线电压总谐

波畸变量%

4.3 1.8 4.1 1.8 4.3 1.9

相电压总谐

波畸变量%

4.5 1.9 4.2 1.7 4.2 1.9

电流总谐波

畸变量%

25.5 13.7 25.3 13.6 26.1 14.1

5 次电流谐波

畸变量%

22.2 13.0 21.4 12.9 22.6 13.1

7 次电流谐波

畸变量%

10.3 3.3 10.9 3.5 10 3.2

11 次电流谐

波畸变量%

4.8 2.7 5 2.8 5.4 2.9

13 次电流谐

波畸变量%

2.4 0.9 2.4 0.9 2.5 1.0

零相电流（A） 12.5(Max) 0(Min)

有功功率

（kW）

929.04 360.14

无功功率

（kVAR）

483.37 158.41

视在功率

（kVA）

1047.17 393.51

功率因数 0.929 0.872

3.3 结论

参照 GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中公共电网谐波电压（相电压）限值与注入公共连接点的谐波电流允许值 [2] （见表 3），本次监测，电压谐波畸变量在国家规定的范围内，为 4.1%~4.3%。电流谐波畸变量基本上都超过了国家规定，I 段母线系统最高为 26.1%，功率因数基本上符合国家考核的要求。

表 3 公共电网谐波电压限值与注入公共连接点的谐波电流允许值

电网标称电

压(kV)

电压总谐波

畸变率(%)

各次谐波电压含有率(%)

奇次 偶次

0.38 5 4 2

0.38

基准短路容

量（MVA）

谐波次数及谐波电流允许值(A)

5 7 11 13

10 62 44 28 24

因此，临江泵站新泵房 0.4KV I 段母线系统需要选择合适的滤波装置进行谐波治理，以确保供电质量，保障供电设备及用电设备的安全。

4 治理效果

通过在新泵房 0.4KV I 段新增一台 IPF4-440-600 型有源滤波装置，降低了母线谐波含量。下表是有源滤波装置投运前后，现场实测的相关数据：

表 4 治理前后数据对比

名称 治理前

治理后

实测值

国标值

线电压（V） 394.3 396.6

相电压（V） 227.6 229.5

电流（A） 1424 1407

线电压总谐波畸变量 4.1% 2.6% ≤5%

电流总谐波畸变量 21.8% 6.5%

5 次电流谐波畸变量 20.7%（234.4A) 52A ≤62A

7 次电流谐波畸变量 4.2%(59.1A)

(Max)47.5A

(Min)38.5A

≤44A

11 次电流谐波畸变量 3.2%(44.9A) 22.48A ≤28A

13 次电流谐波畸变量 1.3%(18.1A) 16.45A ≤24A

零相电流（A） 37.4(Max) 6.8A

功率因数 0.926 0.912

由上表可以看出，在有源滤波装置投运后，5 次、7 次、11 次电流谐波畸变量均达到了国家标准，电流总谐波畸变量从21.8%下降到了 6.5%，效果明显，提高了电网质量。今年保高峰期间临江新泵房 I 段母线下机泵未发生因电网波动引起的跳车故障。

参考文献：

[1] 蒋正荣.陈建业著. 从无源到有源 电能质量谐波与无功控制.2015

[2] 国家技术监督局. GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波.1993

作者简介：

柳佳瑛（1984- ），女，上海人，主要从事电气设备的运行管理工作。