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摘 要：油田在生产中应用了大量变频等电力电子设备实现节能降耗，变频等电力电子设备已成为油田电网的主要谐波源设备，它产生的大量谐波不仅影响到油田电网运行的可靠性，同时还影响着同一系统中的用电设备安全平稳运行。本文针对油田电网中的谐波的影响及治理技术应用，从而达到降低油田电网中谐波含量，净化电网，提高电网运行可靠性的目的。
关键词：谐波；滤波；治理
1.谐波存在于油田的现状
近年来，作为一种节能手段，变频等电力电子设备在油田生产中得到了大量应用。大量变频等电力电子设备的应用为生产带来了显著的节电效果，但同时也带来了一个负面问题——谐波污染,这些变频等电力电子设备已成为油田电网中的主要谐波源。据统计，油田电网中在用变频设备数量达到1200台以上，总功率达到100000kW以上，被广泛应用于油田采油、注水、输油、供水系统等各个生产系统中。
2.谐波对电力系统的影响
近几年，油田电网的谐波污染日益严重，谐波危害的严重性才引起我们的关注。谐波对于油田电网的危害主要表现为在以下几个方面：
2.1谐波引起谐振和过电流
为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装设并联型电容器。为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联型电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频下，这些电容器的容抗比系统的感抗大的多，不会引起谐振。但对谐波频率而言，系统的感抗大大增加而容抗大大减少，就可能产生并联谐振或串联谐振。这些谐振会使谐波电流放大几倍十几倍甚至几十倍。对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类事故占有很高的比例。
2.2对电机的影响
谐波会引起电机附加损耗，使之发热，达不到额定功率，损耗随着谐波成分增加而增加。
2.3对变压器的影响
变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。
2.4对输电系统的影响
谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降，另一方面，增加了输电线路上的电流有效值从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，介质的电场强度随谐波电压的最大值的升高而增强，这影响了电缆的使用寿命。
谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率在另一些频率上发出有功功率。这些谐波有功功率通常都是吸收电网的基波有功功率。谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的。谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上其它用电设备带来危害，并增加功率损耗。
对于架空线来说，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，但由于谐波的存在其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕损耗。低次谐波过大，易造成输电线路局部过热。
3.谐波的治理
通过以上的介绍，谐波污染问题普遍存在，在油田电力系统里个别站点超标问题严重，是造成上级变电所故障的主要原因。通过现场测试影响电力系统的主要谐波为5、7、11次谐波。减小谐波影响应优先对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施，实际措施的选择要根据谐波达标水平，经济性和技术成熟程度等综合比较后确定。我们针对低压单变压器供电系统、低压双变压器供电系统、高压线路分别进行了有源滤波、无源滤波、电抗滤波三种现场试验。
3.1有源滤波系统：创新性采取了在母线侧安装有源滤波器和在变频器电源侧串联电抗器的组合方案。通过电抗器进行初级滤波，降低总谐波含量，达到降低有源滤波器设计容量，降低投资的目的；有源滤波器治理母线侧的总谐波分量。有源滤波系统通过实时检测电网上的负载产生的谐波电流，由逆变器生成一个与负载谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，注入到电网，从而抵消负载谐波，防止谐波电流流入配电系统造成污染，进而使流向系统的电流是一个理想的交流正弦波形。
通过现场测试，治理后超标的5次谐波从90.1A降到了19.1A，滤除率78.8%；7次谐波从50.1A降到10.1A，滤除率79.8%。有源滤波不仅可以滤除超标的谐波，对其它各次谐波滤除效果也比较显著。
3.2无源滤波器系统：由无源滤波器和电抗器组成，无源滤波器用于滤除超标的谐波，电抗器用于解决无功过补问题。无源滤波器是利用电感、电容谐振的原理，当谐振发生在某一频率时，滤波器对这一频率的谐波呈现低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器。
通过采用无源滤波系统，治理前超标的5次、7次谐波控制在国标限值之内，但是11次谐波被轻微放大，这是因为无源滤波器只能针对设计的固定频次的谐波进行治理，滤波器的核心元件滤波电容器对设计范围外的谐波有放大作用。
3.3高压电抗滤波系统：由高压电抗滤波器和高压无功补偿电容器组成。由高压电抗滤波器滤除高压线路中的超标谐波，由于电抗滤波器属于感性设备，势必造成无功降低，为了保证高压线路的无功补偿容量，采取了高压无功补偿电容器解决了这个问题。高压电抗滤波器是通过输电线路输电时自身产生的微磁场使与之临近的电感线圈产生感应电流，电感线圈亦会产生另一个微磁场，利用输电线路与电感线圈所产生的微磁场间的转变，消耗电网中的谐波。
通过现场实验数据得知，电抗滤波造成线路功率因数下降，但如果保持滤波设备容量不变，进行无功补偿后再滤波，7次、11次谐波将被轻微放大，这与电容器的特性有关，如果只考虑滤波效果，设计时要相对简单。
4.结论
治理谐波的方案有很多种，每种方案各有优缺点，具体方案的确定要根据谐波污染程度、各种滤波技术的效果、投资情况、现场施工条件等综合考虑，必须通过专业人员现场设计，随意选择定型产品使用，有可能会造成谐波放大、过电压、谐振等，造成更大的安全隐患。通过现场试验总结出以下结论：
4.1有源滤波造价虽然较高，但是对谐波的治理效果明显，负荷的波动不影响其功能。公共连接点集中安装有源滤波器与谐波源就地安装电抗器的组合方案在提高滤波效果的同时降低设备投资。
4.2双变压器供电的低压系统的谐波源在治理时可以选择有源滤波，也可以选择无源滤波。但是当系统功率因数高于0.9或者负荷减少较多时，优先选择有源滤波，防止采用无源滤波造成无功过补引起过电压。
当受投资限制必须选择无源滤波时，必须在设计时同步加装电抗器，或者采用分组自动投切的无源滤波器。
4.3高压线路谐波超标时可以选择高低压同步治理或高低压分别治理的组合方案，具体方案的确定要综合多方面因素考虑，采用高压电抗滤波要考虑对线路功率因数的影响。
作者简介：李佳， 1982-，男，山东寿光人，电气助理工程师
关键词：谐波；滤波；治理
1.谐波存在于油田的现状
近年来，作为一种节能手段，变频等电力电子设备在油田生产中得到了大量应用。大量变频等电力电子设备的应用为生产带来了显著的节电效果，但同时也带来了一个负面问题——谐波污染,这些变频等电力电子设备已成为油田电网中的主要谐波源。据统计，油田电网中在用变频设备数量达到1200台以上，总功率达到100000kW以上，被广泛应用于油田采油、注水、输油、供水系统等各个生产系统中。
2.谐波对电力系统的影响
近几年，油田电网的谐波污染日益严重，谐波危害的严重性才引起我们的关注。谐波对于油田电网的危害主要表现为在以下几个方面：
2.1谐波引起谐振和过电流
为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装设并联型电容器。为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联型电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频下，这些电容器的容抗比系统的感抗大的多，不会引起谐振。但对谐波频率而言，系统的感抗大大增加而容抗大大减少，就可能产生并联谐振或串联谐振。这些谐振会使谐波电流放大几倍十几倍甚至几十倍。对系统，特别是对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类事故占有很高的比例。
2.2对电机的影响
谐波会引起电机附加损耗，使之发热，达不到额定功率，损耗随着谐波成分增加而增加。
2.3对变压器的影响
变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。
2.4对输电系统的影响
谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降，另一方面，增加了输电线路上的电流有效值从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，介质的电场强度随谐波电压的最大值的升高而增强，这影响了电缆的使用寿命。
谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率在另一些频率上发出有功功率。这些谐波有功功率通常都是吸收电网的基波有功功率。谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的。谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上其它用电设备带来危害，并增加功率损耗。
对于架空线来说，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，但由于谐波的存在其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕损耗。低次谐波过大，易造成输电线路局部过热。
3.谐波的治理
通过以上的介绍，谐波污染问题普遍存在，在油田电力系统里个别站点超标问题严重，是造成上级变电所故障的主要原因。通过现场测试影响电力系统的主要谐波为5、7、11次谐波。减小谐波影响应优先对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施，实际措施的选择要根据谐波达标水平，经济性和技术成熟程度等综合比较后确定。我们针对低压单变压器供电系统、低压双变压器供电系统、高压线路分别进行了有源滤波、无源滤波、电抗滤波三种现场试验。
3.1有源滤波系统：创新性采取了在母线侧安装有源滤波器和在变频器电源侧串联电抗器的组合方案。通过电抗器进行初级滤波，降低总谐波含量，达到降低有源滤波器设计容量，降低投资的目的；有源滤波器治理母线侧的总谐波分量。有源滤波系统通过实时检测电网上的负载产生的谐波电流，由逆变器生成一个与负载谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，注入到电网，从而抵消负载谐波，防止谐波电流流入配电系统造成污染，进而使流向系统的电流是一个理想的交流正弦波形。
通过现场测试，治理后超标的5次谐波从90.1A降到了19.1A，滤除率78.8%；7次谐波从50.1A降到10.1A，滤除率79.8%。有源滤波不仅可以滤除超标的谐波，对其它各次谐波滤除效果也比较显著。
3.2无源滤波器系统：由无源滤波器和电抗器组成，无源滤波器用于滤除超标的谐波，电抗器用于解决无功过补问题。无源滤波器是利用电感、电容谐振的原理，当谐振发生在某一频率时，滤波器对这一频率的谐波呈现低阻抗，与电网阻抗形成分流的关系，使大部分该频率的谐波流入滤波器。
通过采用无源滤波系统，治理前超标的5次、7次谐波控制在国标限值之内，但是11次谐波被轻微放大，这是因为无源滤波器只能针对设计的固定频次的谐波进行治理，滤波器的核心元件滤波电容器对设计范围外的谐波有放大作用。
3.3高压电抗滤波系统：由高压电抗滤波器和高压无功补偿电容器组成。由高压电抗滤波器滤除高压线路中的超标谐波，由于电抗滤波器属于感性设备，势必造成无功降低，为了保证高压线路的无功补偿容量，采取了高压无功补偿电容器解决了这个问题。高压电抗滤波器是通过输电线路输电时自身产生的微磁场使与之临近的电感线圈产生感应电流，电感线圈亦会产生另一个微磁场，利用输电线路与电感线圈所产生的微磁场间的转变，消耗电网中的谐波。
通过现场实验数据得知，电抗滤波造成线路功率因数下降，但如果保持滤波设备容量不变，进行无功补偿后再滤波，7次、11次谐波将被轻微放大，这与电容器的特性有关，如果只考虑滤波效果，设计时要相对简单。
4.结论
治理谐波的方案有很多种，每种方案各有优缺点，具体方案的确定要根据谐波污染程度、各种滤波技术的效果、投资情况、现场施工条件等综合考虑，必须通过专业人员现场设计，随意选择定型产品使用，有可能会造成谐波放大、过电压、谐振等，造成更大的安全隐患。通过现场试验总结出以下结论：
4.1有源滤波造价虽然较高，但是对谐波的治理效果明显，负荷的波动不影响其功能。公共连接点集中安装有源滤波器与谐波源就地安装电抗器的组合方案在提高滤波效果的同时降低设备投资。
4.2双变压器供电的低压系统的谐波源在治理时可以选择有源滤波，也可以选择无源滤波。但是当系统功率因数高于0.9或者负荷减少较多时，优先选择有源滤波，防止采用无源滤波造成无功过补引起过电压。
当受投资限制必须选择无源滤波时，必须在设计时同步加装电抗器，或者采用分组自动投切的无源滤波器。
4.3高压线路谐波超标时可以选择高低压同步治理或高低压分别治理的组合方案，具体方案的确定要综合多方面因素考虑，采用高压电抗滤波要考虑对线路功率因数的影响。
作者简介：李佳， 1982-，男，山东寿光人，电气助理工程师