浅谈变频器高次谐波的危害及抑制措施
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作者:滕广琴
摘 要：针对一起变频器因高次谐波干扰被击毁的事故，浅谈谐波产生的原因，并提出抑制措施，提高了变频器抗高次谐波干扰的能力。
关键词：变频器;高次谐波;干扰
随着经济的快速发展，变频调速在港口装卸机械上的应用越来越广泛，但变频器输入输出侧高次谐波所产生的电磁干扰严重影响了电网的供电质量，不仅影响变频器自身运行，还会干扰周边计算机、PLC等弱电设备。本文从近年来发生的一起比较典型的变频器谐波干扰事故出发，简述变频器高次谐波的危害及抑制措施。
1 故障经过
2018年8月11日，防城港二十万吨码头4#斗轮机回转变频器（AB700系列）在卸船堆料作业过程中突然被烧坏。笔者拆开变频器检查，发现里面的滤波电容被击穿烧熔，但回转电机绝缘正常。重新换上一台备用变频器，但用不到一天，又被击穿烧坏。这个现象十分蹊跷，单独操作回转时回转变频器能正常工作，但只要操作斗轮机行走時回转变频器马上烧坏。于是笔者怀疑回转变频器击毁是由于行走变频器产生的高次谐波反馈回供电母排所致。
2 故障分析
为查明谐波产生的真正原因，笔者利用谐波专用测试仪（FLUCK 43B）对斗轮机动力供电母线系统进行检测。
首先，笔者通知斗轮机司机仅操作斗轮机回转，测得电网电压畸变率THDv不到1.7%。该变频器是美国产品，其说明书明文规定，电网∑THDv不得超过3%。因此，测试结果表明斗轮机仅回转时谐波引起的电网畸变率是在合理范围内的。
其次，笔者通知斗轮机司机仅操作斗轮机行走。检测表明，斗轮机行走时，产生大量的高次谐波电压，其中29、31、33次高次谐波的电压畸变率THDv达99.5%以上，而电压总畸变率∑THDv达91%，严重超过了国家标准GB/T14549-93《电能质量共用电网谐波》里的要求。GB/T14549-93中规定，公用电网谐波电压限值为380V（相电压220V）电网电压总THDv为5%，各次谐波电压含有率奇次为4%，偶次为2%。最后笔者对斗轮机行走系统进行全面检查，发现行走1、2#变频器各有1台和2台行走电机绝缘不足0.2MΩ，经修复电机后，斗轮机恢复正常。
通过以上检测试验，综合分析，认定故障原因是由于斗轮机行走变频系统产生的高次谐波造成的。斗轮机行走系统由两台变频器驱动，每台变频器驱动8台行走电机。行走变频器的过流、过压值是按8台电机一起工作时设计的，实际测试表明，当有1～2台电机绝缘不足时，行走变频器仍可正常工作，但因工况异常，行走变频器此时产生大量高次谐波返回斗轮机动力供电母线系统，由于回转变频器容量要比行走变频器小得多，且变频器电容对高次谐波异常敏感最终导致回转变频器被高次谐波击穿烧毁。
3 谐波的产生及危害
变频器由于本身的电力电子元件特性，其输入侧和输出侧都是一个非线性的电路，其电路本身含有丰富的高次谐波分量，除有可能造成上述的故障事故外，变频器产生的谐波还可能对我港区的供电系统带来以下危害：
（1）变频器谐波使公用电网的元件产生了附加的谐波损耗，降低了供用电设备的使用率，大量的三次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。
（2）变频器谐波影响各种电气元件的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪音和过电流，使电容器、电缆等设备过热，绝缘老化、寿命缩短以至击毁损坏。
（3）变频器谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述的危害大大的增加，甚至引起严重事故。
（4）干扰通信系统的工作。
（5）干扰继电保护装置和测量仪表的正常工作。
4 高次谐波的抑制措施
4.1 使用独立专用的变压器
新大型设备机械的变频器尽量使用独立专用的变压器，使变频器产生的高次谐波与其它供电系统隔离，笔者认为这是比较简单可行的一个方法，但也存在着变压器的容量要求足够大，变压器损耗较大的问题。目前这一方法在大型设备如斗轮机、卸船机得到应用。
4.2 安装输入和输出电抗器
尽量缩短变频器与电机的距离，应尽量控制在200m内，减少谐波对变频系统的干扰，如线路较长，则考虑在变频器输入侧与输出侧串接合适的电抗器，吸收谐波和增大电源或负载的阻抗，达到抑制谐波的目的。当然，受电抗器特性的影响，电抗器消除谐波的范围较窄。
4.3 多相脉冲整流
在条件具备的情况下，或者要求产生的谐波在比较小的情况下，可以采用多相脉冲整流的办法。防城港20-22泊位的所有皮带机就是使用12相脉冲整流的变频器。12相脉冲整流THDv大约为10%～15%，18相脉冲整流THDv大约为3～8%，满足国际标准的要求，缺点是需要专用整流变压器，不利于设备改造，价格较高。
4.4 安装电源滤波器或动态无功补偿及谐波治理装置
在变频器输送入侧安装电源滤波器或动态无功补偿及谐波治理装置，实时从补偿对象中检测出变频器谐波电流，由补偿装置产生一个与该变频器谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。由于这种方案对变频系统影响较小，这是对防城港老式大型设备机械进行改造的最佳方案。
5 结论
变频器因其节能效果明显，调速方便，网络化等优点而得到越来越广泛的应用，但变频器特有的工作方式带来的谐波干扰是一个非常严重的问题。所以，分析和研究抑制变频器谐波干扰的方法将对我们电网质量的提高，设备的安全运行和生产效率的提高具有十分重要的意义。
参考文献：
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[2]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.
[3]电能质量——公用电网谐波GB/T14549-1993[J].
[4]黄慧敏，江姝妍.变频器的谐波危害与对策.建材技术与应用，2006（03）.
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