如何降低电气设备的谐波污染？

青草沙项目的工程输水规模大，五号沟泵站的水泵单机容量大，同时运行工艺要求泵站应具有调节流量的功能，因此有多达16台水泵采用变频调速方式运行，这在国内外现有的给水泵站中是极为罕见的。

变频器是非线性电力负载，其电源进线侧是由6脉冲或6n次脉冲的整流器（n为自然数），在其运行中会产生大量的特征谐波。此外，由于实际三相交流系统运行中，存在一定的网侧负荷不平衡，故三相大功率变频器在运行中除特征谐波外，还会产生一定的3次谐波和一些非特征谐波。对电机、变压器、电网系统和泵站内部的电气设备而言，3次谐波和奇次特征谐波对其运行有较大的负面影响，主要包括：电气系统损耗增加、效率降低、绝缘老化、机电系统“共振”、电压畸变等。

（1）谐波引起的附加损耗

谐波使电机产生额外的附加损耗，电机发热加大、效率降低，电机轴承的“电蚀”、绝缘老化加快。据实验研究和有关资料报道，由于变频器输出谐波可以使被驱动电机的效率平均下降3%～8%。此外，变频器输出谐波引起的电机绝缘老化加速，最终导致电机烧毁事故也不鲜见：2004年上海鼓风机厂提供给北方某热电厂的4台大型风机，因用户在风机的节能调速改造中选用的某型6k V变频器的输出谐波电流过大、共模电压过高，从而导致4台（套）引风机的配套电机（上海电机厂产品）烧毁。

对电力变压器而言，高次谐波电流将产生集肤效应和临近效应，使变压器铜损增加，效率降低，并恶化功率因数。

（2）变频器输入电机的谐波扭矩

谐波产生了额外的附加振动和噪声，严重时谐波扭矩还会引起机电系统的“共振”，导致机械系统崩溃。

20世纪80年代中期到90年代初期，我国有多家大型冶金企业使用了从国外引进的大功率变频调速轧机，因大功率变频器输出侧的谐波含量较大，由此产生的某些低次谐波扭矩与轧机机械系统的固有频率相近，在实际运行时，发生轧机在某些速度（频率点）产生机电系统的“共振”，曾多次导致轧机主轴扭断的重大事故。最后采取在电机转速控制系统里设置“调频控制”，跳过可能发生谐振的频率点（运行速度），避免机电系统“共振”事故的发生。

（3）变频器网侧注入电网的谐波使同一母线上的电压畸变

在变频器同一电网上的其他用电设备，会因为变频器注入同一母线的谐波引起母线电压畸变，从而引发继电保护误动、补偿电容过流爆炸而导致火灾等事故。特别是用于无功功率补偿的电力电容器，对电网电压谐波极为敏感，上海某研究单位的变频试验台，因变频器网侧谐波过大，致使同一母线上的无功补偿电容器多次发生爆炸。(www.xing528.com)

（4）谐波使馈电线路的电缆绝缘劣化，运行寿命缩短

由于电网中的谐波电流，会使得载流的电力电缆绝缘材料的分子链产生断裂，导致绝缘性能下降加快，最终可能导致谐波过电压击穿电缆。有文献记载，苏联电工研究院的试验结果，当电缆中电流5、7次谐波含量达一定数值时，电缆的绝缘寿命会下降64%，原来可运行25年的电缆寿命减少为9年。而对于架空线路，谐波电流通过时可能产生串联谐振，导致危险的过电压。

近年来，随着电网中大量非线性负载的出现，在电力系统各级母线上的谐波污染越发严重，由此引发的各种大小事故频发。因此，国内电力部门对电力用户的谐波含量有严格的限制要求，并且往往比现行国家标准的要求更严格。考虑到本工程水泵变频机组具有单机功率大、运行数量多的特点，在国内甚至是世界上也是屈指可数的，在电力拖动专业方面缺乏类似工程经验和可参照的工程实例。为确保本工程供配电系统有关谐波含量限制能满足国家和电力行业相应标准的要求，确保水泵电机的稳定、可靠运行，减少注入上级公用电网的谐波、限制谐波的数值在国家相关标准内，需要对大功率变频调速装置运行时的谐波含量及影响进行模拟计算和分析。

由于泵站有大量的变频器等非线性负载，在系统各级电压母线上可能产生谐波污染。根据估算的电源资料和变频器参数（24脉冲），进行了谐波模拟计算。考虑到在设计时电源技术资料尚未最终确定，变频设备尚未招标，因此在设计初期考虑谐波控制和治理措施如下：

①对变频器的整流元件提出谐波控制要求，提高变频器品质，增加换流装置的脉动数。具体措施是选择不小于24脉冲的变频器，变频器本身具有强大的谐波治理能力，且变频器的脉动数尽量统一，并且在各台变频装置移相器上采用角度互补措施减少叠加效应，以满足国标中电力系统要求的谐波含量限值。

②待变频器招标确定后，根据正式的电源资料，在下阶段工作中重点研究辅助的谐波处理方案，本工程设计中先预留相应滤波装置室的土建条件。

③安装实施后，通过对谐波的测量，对谐波治理方案的参数进行最终的修正。

④变频器招标文件中，提出系统母线各次谐波电流限制要求应作为必须满足的条件。