直流输电系统的谐波危害及抑制措施

Harmonic Hazard Of DC Transmission System

And The Controlling Measures

赵芫萍

(广西送变电建设公司,广西 南宁市 530031)

[摘要] 论述了直流输电系统的谐波危害,提出对谐波的抑制措施,并以天广直流工程天生桥±500 kV换流站为

实例,重点论述交、直流滤波器对谐波的抑制。

[关键词] 直流输电系统 谐波危害 抑制措施 换流站

Abstract This paper discusses the harmonic hazard of DC transmission system and proposes the measures to

control the harmonic wave. It discusses the control of harmonic wave with AC and DC filter by taking the

Tianshengqiao±500kv converter station in Tianshengqiao-Guangzhou DC transmission project as an example.

Key words DC transmission system harmonic hazard controlling measures converter station

1 引言

随着能源开发、电能传输以及电力系统的规模

不断扩大,采用直流输电的必要性日益被人们认识。

直流输电不仅是一种节省能源损耗的输电方式,而

且在开发利用边远地区的能源和开发新能源、新发

电方式等方面,直流输电技术更是一种有效的手段,

必将越来越广泛地得到采用。

与交流输电系统相比,直流输电系统有许多优

点:线路造价低、适合远距离输电、没有系统稳定问

题、调节快速、运行可靠等;同时它也存在一些缺点:

换流器较昂贵、消耗一定的无功功率、产生谐波影响

等。其中换流站对整个系统产生的谐波危害,是直流

输电系统运行必须解决的重要问题之一。为保证直

流输电系统安全、可靠运行,并对周围环境影响降低

到允许的范围内,应采用有效的措施减少谐波危害。

笔者以天广(天生桥至广州)直流输电工程天生桥±

500 kV换流站为例,着重讨论交、直流调谐滤波器

对谐波的抑制。

2 直流输电系统的谐波危害

换流变在交、直流两侧都会产生谐波电压和谐

波电流,如果进入交流电网和直流输电线路的谐波

分量过大,就会对换流器本身和交流系统的运行以

及邻近通信系统产生不良影响[1]。

2.1 在旋转电机和电容器中产生附加损耗而发热

旋转电机中的谐波电流将产生附加损耗,因而

使电机过热,这种影响主要由于有效值较大的低次

谐波造成的。虽然低电阻的阻尼绕组可以使转子铁

芯对谐波磁通起蔽作用,但只有在凸极同步机上才

用阻尼绕组。因此,实心转子的同步机中仍会由于谐

波磁通而使转子铁芯过热,这使发电机的出力受到

。异步电动机中较大的谐波电流将减少它在额

定转速下的有效转矩,并在较低转速下引起的寄生

转矩使启动后的电机无法达到它的额定转速。

电容器由于谐波所增加的损耗为:

Σ

∞

n=2C(tgδ)

ω(n)V2(n)×10-3(kW)

式中 C——

电容,μF;

tgδ——介质损耗系数,一般假定对各次谐波

电压是相同的;

ω(n)——n次谐波的角频率,rad/s;

V(n)——n次谐波电压的有效值,kV。

电容器由于谐波附加损耗而过热,影响它的正

常运行和寿命。

2.2 对通信设备(特别是电话线路)产生干扰

一般来说,音频通道的工作频率范围约为200

~3500 Hz,而直流输电线路中的许多谐波就在这个

频率范围内,不论是直流输电线路中、或是交流侧的

谐波电压和谐波电流,都会对它们邻近的电话线路

产生静电感应和电磁感应的影响,由于交、直流电力

56 广西电力工程 2000年第2期线路和电话线路的功率水平差别很大,因而在电话

线路中存在因谐波引起的易察觉、甚至不能容许的

电话杂音。

2.3 造成换流器的控制不稳定

交流系统中一组大的并联电容器和系统中的其

他部分之间,可能在某一谐波频率下产生谐振,这种

谐振频率可以使电容器出现过电压,导致电容器发

热,也会使换流器的定电流调节器工作不稳定。

3 抑制谐波的措施

抑制直流输电系统中谐波的措施可分为三类:

(1)作用于谐波源的措施,如增加换流器的脉动

数;

(2)装设滤波器;

(3)改变直流输电线路的常数,以达到加大直流

线路中谐波电压、电流的衰减。

在换流变两侧装设滤波器是直流输电系统中常

用的抑制谐波的措施,现以天广直流工程天生桥±

500 kV换流站为实例,着重论述滤波器对谐波的抑

制。对于高压直流输电换流器,普遍认为配置一套

12脉动换流器,再加上必要的滤波器,比采用更高

脉动数的换流器、再加上一些把谐波减少到容许程

度的方案较为经济、可行。因此,在天广直流工程的

天生桥换流站中,采用了一套12脉动换流器,并在

交、直流两侧装设滤波器的配制方式。

3.1 交流滤波器对谐波的抑制

交流滤波器的主要目的之一是为了滤除换流器

产生的谐波电流,从而使交流母线电压畸变和通信

干扰满足要求。目前高压直流工程普通使用三种谐

波畸变指标:各次谐波电压畸变率Dn、总谐波电压

畸变率D和电话谐波波形系数THFF。在早期葛

上直流工程中,谐波标准采用了各次谐波电压畸变

率算术和DΣ指标,但因其没有物理意义,无法实

测,故在本工程的谐波标准中采用D值,它与谐波

功率对应,因而与谐波畸变的严重程度紧密相关。

为了说明交流滤波器对谐波电流的抑制作用,

必须对谐波电流进行分析。在谐波电流的分析中可

以发现,当换流站设备参数完全平衡的理想情况下,

换流器仅产生特征谐波。因

本工程采用每极一个12

脉动阀组

接线,故在其交流侧主要产生的特征谐波

为:

n=12k±1 k=1,2,3,…∞

一般只考虑50次以下的特征谐波的情况,因而

有11、13、23、25、35、37、47、49共8种。特征谐波大

小主要取决如下因素:

(1)交流系统电压;

(2)直流电压;

(3)直流电流水平;

(4)换流变压器的短路阻抗;

(5)换流器的触发角和熄弧角。

实际上,设备参数的平衡不是绝对的,不平衡因

素与交流系统的运行情况和站内设备的制造水平有

关。这些不平衡因素使换流器交流侧产生非特征谐

波电流。影响非特征谐波电流不平衡因素主要有:

(1)交流母线三相电压不平衡;

(2)换流变压器三相电抗不平衡;

(3)换流变压器阀侧Y绕组和Δ绕组的电抗不

平衡;

(4)换流变压器变比不相等;

(5)触发角不相等。

对谐波电流进行计算,一般通过谐波波形的傅

立叶分析进行,并考虑特征谐波电流和非特征谐波

电流的各个影响因素的条件下,计算出特征谐波电

流和非特征谐波电流,并选择最大计算值。以计算交

流侧在单极500 kV、大地回线运行方式下的谐波电

流为例(计算过程略),各谐波电流的计算结果摘要

列如表1。

表1 单极500 kV、不同负荷下的谐波电流

N 10%负荷55%负荷100%负荷110%负荷Imax

1 252.71 1372.75 2552.98 2803. 2803.

3 16.25 19.72 24.77 25.93 25.93

11 28.05 99.40 122. 116.05 122.

12 0.21 0.74 0.65 0.49 0.74

13 24.63 77.30 79.08 69.69 79.08

23 11.00 16.70 23.63 27.11 27.11

24 0.20 0.19 0.33 0.34 0.34

25 10.17 11.69 24.30 24.31 24.31

35 6.19 7.65 5.67 8.55 8.55

36 0.18 0.19 0.03 0.17 0.19

37 5.83 8.40 6.47 10.45 10.45

47 3.86 5.26 6.20 3.47 6.20

48 0.16 0.16 0.16 0.02 0.16

49 3.66 4.56 5.21 3.90 5.21

根据计算的各谐波电流结果,为满足谐波畸变

率Dn≤1.0%、总谐波电压畸变率D≤1.75%、电话

谐波波形系数THFF≤1.0%的要求,本工程装设

三大组交流滤波器,按大组方式接入220 kV交流

系统,其中12/24次滤波器共4小组,3/36次滤波

572000年第2期 广西电力工程 器共2小组,并联电容器共3小组,每小组电容器均

为80 Mvar(配置方案见表2)。利用12次、24次调

谐点滤掉附近的11、13、23、25次谐波,并考虑到交

流侧负序电压分量为2%,引起的3次谐波电流很

大,其值和23、25次特征谐波电流相当,因此,特装

设3次谐波滤波器,同时,在并联电容器小组中串联

一个小电抗器,兼作HP36或HP48次高通滤波支

路,可提高滤波效果。

表2 交流滤波器和在电容器配置方案

组数配 置

第一组DT12/24 80 Mvar+DT3/36 80 Mvar+shuntC 80Mvar

第二组DT12/24 80 Mvar+DT12/24 80 Mvar+shuntC 80Mvar

第三组DT12/24 80 Mvar+DT3/36 80 Mvar+sh

untC 80Mvar

3.2 直流滤波器对谐波的

抑制

天生桥换流站换流变直流侧装设直流滤波器是

为了抑制架空线路中的谐波分量,使其对通信线路

的干扰水平控制在规定范围内。

葛上直流工程中采用较为严格的谐波标准,双

极运行等值干扰电流Ieq<150 mA,单极运行等值

干扰电流Ieq<450 mA,随着通信技术的发展,通信

线路的抗干扰能力也不断提高,因而本工程采用较

为宽松的标准:双极运行等值干扰电流Ieq<400

mA,单极运行等值干扰电流Ieq<800 mA的谐波标

准[2]。

换流阀在直流侧产生特征谐波(12 n次)和非

特征谐波分量。特征谐波分量与换流器的工作条件

有关,包括阀侧电压、熄弧角、迭弧角及换流变抽头

位置;非特征谐波通常由系统和设备的非对称性引

起,主要与下列因素有关:

(1)交流母线电压不平衡(主要影响低次谐波分

量);

(2)换流变电抗不平衡;

(3)触发角不平衡;

(4)直流纹波分量;

(5)交流系统背景谐波。

谐波电压的计算还应考虑换流设备的杂散电

容。对于12脉动换流桥直流系统,换流器在直流侧

主要产生12倍次谐波分量。在实际系统中,电话线

路受到谐波干扰的频率区域主要在1000 Hz左右,

即对50 Hz的交流系统,20次左右的谐波分量危害

最大;另一方面,根据3脉动理论,换流器在直流侧

产生的3倍次谐波(3,6,9…)对通信线路的干扰严

重。这些谐波次数低、幅值大,其主要路径是通过换

流变中性点——换流阀——大地,进入直流线路的

分量较小。根据上述分析,为抑制直流对通信线路的

干扰,直流滤波器做如下安排:①在12脉动换流桥

中性母线上对地串接一个15μF的电容器,在换流

站内形成一个低次谐波通道,以消除由于换流变杂

散电容而产生的低次谐波。②在中性母性上接有一

完整的有源滤波器(也称混合型滤波器),即选择

12/24次滤波器并配置有源转换器。有源直流滤波

器接线见图1。

图1 天生桥换流站有源直流滤波器接线图

C1=1.00μF L1=19.19 mH C2=1.84μF

L2=16.71 mH R2=1 kΩAF功率:100 kVA

无源滤波器曾是几乎所有长距离直流输电工程

的唯一选择,它的制造技术成熟,积累了丰富的运行

经验,如葛上直流输电工程中即采用无源滤波器。但

无源滤波器不仅组数多,占地大,实际运行中还时常

出现大量电容器烧坏的情况。有源滤波器与无源滤

波器相比,在一定的滤波性能要求下,不仅投资较

小,占地省,且可不考虑失谐因素,损耗低,并能适当

降低平波电抗器的电感量。天生桥换流站采用有源

滤波器的有源部分实际上是低电压控制元件,与无

源部分串联在一起,它可根据直流线路中各的谐波

电源大小,进行实时

跟踪,将信号转换并放大后成为

反向信号,以抵消直流谐

波,满足规定的等值干扰电

流Ieq要求。以天生桥换流站配置的有源滤波器与原

初步配置的无源滤波器比较见表3,说明有源滤波

器具有更优越的滤波性能[3]。

表3 有源滤波器与无源滤波器配置方案的性能比较表

滤波器配置12/24+36/48 12/24+AF

高压电容器定值1.5μF+0.8μF 1.0μF

正常工况谐波3/600 mA 170/410 mA

电流最大值

故障工况谐波按一组12/24停运考虑按最严重AF全部停运考虑

电流最大值1090/2975 mA 1385/965 mA

(下转第70页)

58 广西电力工程 2000年第2期赔理论,学习索赔方法,提高索赔意识,并积极培养

一批既懂技术,又懂经济;既懂法律,又懂财务;既熟

悉工程承包合同,又具有丰富实践经验的懂管理、会

索赔业务的专门人才,从而促使我厂铁塔加工索赔

工作健康有序地开展。

(2)设置从事索赔工作的专门人员,并由其积极

收集、积累一切可能涉及索赔论证的资料,并迅速反

馈到应给予索赔的单位或部门。

(3)及时、合理地处理索赔。索赔发生后必须依

据合同的准则及时地对索赔进行处理。索赔工作本

着实事求是的原则,做到公正、合理。

10 结束语

电力走向市场,带来了挑战,也带来了机遇。企

业为了在市场竞争中立于不败之地,必须从内部加

强管理,采取各种可能的措施,提高质量信誉和经济

效益。本文提出的各项措施仅是笔者在实践中的体

会。今后还希望和同行共同探讨。

(收稿日期:2000-05-17)

(上接第58页)有源滤波器有以下优点:

(1)对目前不可预见的交流系统扰动所产生的

直流侧谐波,有源滤波器可以提供更好的滤波性能;

(2)若一组直流滤波器故障停运,投入备用有源

滤波器分组,对等值干扰电流无影响,提高了运行的

可靠性,而无源滤波器则无法满足要求。

(3)使用有源滤波器技术,等值干扰电流保证值

可期望达到250/500 mA。

目前,世界上大容量直流输电采用有源滤波器

的工程还不多,天广直流工程使用有源滤波器在我

国尚属首次,但采用有源滤波并不是一项新开发的

技术,它已广泛应用于冶金、电力拖动等领域,由于

有源直流滤波器在性能指标、可靠性明显优于无源

滤波器,因而,采用有源直流滤波器是现代直流输电

工程的发展方向。

4 结束语

直流输电系统存在的谐波对系统本身及周边环

境的影响不容忽视,我们应该对其产生的原因、危

害、计算分析以及抑制措施进行研究和探讨,为今后

抑制谐波的工作提供更有效、更合理的途径。

参考文献

1 林永生,胡良珍,严朗威编.高

压直流输电.上海:上海

科学技术出版社,1982.

2 中南电力设计院.天广直流

输电工程设计第一卷说明书

(内部资料),1997.

3 肖湘宁,徐永梅.电力系统谐波及其综合治理.中国电

力,1998,31(4).

(收稿日期:2000-05-07)

(上接第60页)泄,要按制造厂说明书规定的方法堵

塞管子的两个端口。

2.3 高加的防腐工作

高加的防腐工作包括高加在运行中的防腐及在

停运状态的防腐:

(1)高加在运行中,内部要排净空气。化验站要

定期化验给水品质是否合格。在启动时,汽水侧应排

净空气,为了不使气体滞积,各高加空气管应分别直

接引至除氧器或凝汽器,运行时排至除氧器,启动时

排至凝汽器,并且在排入除氧器或凝汽器之前不能

并接。

(2)高加停运期间的防腐工作也绝对不能忽视,

一定要严格按照制造厂家规定的防腐措施进行维

护。

3 结束语

3.1 高加在启停过程中,运行人员一定要严格控制

高加的温升、温降率符合要求。

3.2 高加在运行中,运行人员可适当控制保持高加

低水位运行。

3.3 检修人员在检修高加内管系漏泄过程中,一定

要认真对待,从根本上解决问题,并举一反三,找出

管漏的原因,并制订出相应的预防措施。

3.4 做好高加投用和停用的日常维护工作,使高压

加热器系统始终保持健康状态。

3.5 采购部门一定要严格把好产品质量关,杜绝

伪、劣、低质量产品入厂。

参考文献

1 沈七一,朱慕铨编.汽轮机(上册).重庆:重庆大学.

2 赵永民主编.汽轮机设备及运行.北京:水利电力出版

社.

作者简介:卢华伦,重庆大学硕士,工程师,茂名热电厂副总工程师。

(收稿日期:2000-05-05)

70 广西电力工程 2000年第2期