油田電網(wǎng)中諧波的危害與電能質(zhì)量測試

劉磊 李波 周勝利 梁策 (中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心)

油田電網(wǎng)中諧波的危害與電能質(zhì)量測試

劉磊 李波 周勝利 梁策 (中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心)

油田電網(wǎng)中諧波的存在具有多方面危害：導(dǎo)致電動機溫度升高和損耗增加；降低無功補償電容器的使用壽命；增大變壓器的損耗；影響電子式計量儀的準確性。測試機構(gòu)按照電壓等級采用直接和間接兩種測試方法對電網(wǎng)中的諧波進行測量。

油田電網(wǎng) 諧波危害 電能質(zhì)量測試

由于油田企業(yè)對油田開采節(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)用了大量具有非線性特性的節(jié)能裝置，包括各個轉(zhuǎn)油站和注水站應(yīng)用的變頻器，抽油機電動機使用的變頻器、可控硅調(diào)壓裝置、控制器等。這些非線性裝置可能對電網(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性負載的使用會引起油田電網(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

電壓的畸變可能對油田電網(wǎng)中的供用電設(shè)備造成危害。

1.1 對電動機的影響

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

1.2 對無功補償電容器的影響

由于企業(yè)對節(jié)能的重視，很多站或者單井都安裝有無功補償電容器，用來提高機井功率因數(shù)，減小損耗。當(dāng)諧波頻率與系統(tǒng)中的諧振頻率耦合時，會造成電容器過電壓或過電流，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)較低的線路并聯(lián)電容器，模型簡圖見圖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(ω=ω0時)，電路就會發(fā)生諧振。發(fā)生諧振時各處電流為：

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

1.3 對變壓器的影響

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

1.4 對計量的影響

諧波的存在會對電子儀器產(chǎn)生干擾，因此影響電子式計量儀的正常工作，如電磁流量計等。傳統(tǒng)有功表不能用來計量諧波含量較高的用電設(shè)備，因為它們計量的電能偏低。在計量儀表選型時應(yīng)該考慮工業(yè)現(xiàn)場諧波對儀表的影響，以保證計量的準確性。

2 諧波測試

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

2.1 測試對象分類及測試方法

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

高壓測試采用間接測量，也就是測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量。在諧波電壓測量中，對諧波次數(shù)或測量精度有較高要求時，應(yīng)采用電阻分壓器（UN＜1 kV）或電容式分壓器（UN≥1 kV），因此對于6 kV或10 kV等級的電網(wǎng)測試要先考察電壓互感器的類型。

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，以免影響測量精度。

低壓測試也需要選擇合適的測點：可以選擇測輸油（注水）站公共連接點（變壓器母排）的諧波含量，也可以對諧波源（設(shè)備）進行測試。

2.2 選擇測點

公共連接點諧波測點和諧波源諧波測點見圖3、圖4。

圖3 公共連接點諧波測點圖

測點的選擇還應(yīng)該便于安裝測試線并且保證安全。諧波測試時必須選用有零線的線制，測試時必須區(qū)分地線和零線，否則會造成錯誤。

圖4 諧波源諧波測點圖

此外需要選用準確度等級高且易用性好的儀器，并且需要對測試人員進行培訓(xùn)，以保證測試的準確度。

[1]GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京:中國標準出版社，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)測與評價工作，E-mail：daqingliulei@yahoo.cn，中國石油天然氣集團公司節(jié)能技術(shù)監(jiān)測評價中心，地址：大慶市讓胡路區(qū)西賓路552號，163453。