（民航西南空管局 成都 610202）
摘要：随着民航事业的快速发展，空管设备的逐渐增加，空管设备中大量的非线性负载使供电波形发生畸变，产生了严重的谐波污染，导致电能质量下降，对空管供配电系统和设备造成严重影响。本文结合空管供配电系统的实际，通过对分析谐波的来源和危害，进一步探讨了导致谐波污染原因，并从设计、选型、运维管理等方面提出采取整流多重化，滤波，功率因数校正等相应手段的解决措施。
关键词：谐波污染，电能质量，滤波，功率因数校正
0引言
随着民航空管事业的快速发展和空管设备的不断增多，大量的非线性负载如UPS、各类设备的开关电源、航管楼机电设备的变频器等电力电子设备的急速增加，使得空管供配电系统谐波量显著上升，导致空管供电系统电能质量降低。如任其继续发展轻则信号传输发生错误，重则损伤电子元件，更严重的会造成整个空管供配电系统瘫痪。但由于谐波造成的危害具有隐蔽性，对其测量监测需要使用电能质量专业仪器，往往使得供配电运维人员对其难以引起足够的重视。2017年6月，成都区管中心电容补偿柜因供电谐波污染产生谐振，导致电容器损坏。虽然此类故障发生概率较低，但是也提醒我们必须重视电力谐波的危害，需对谐波形成原因进行深入分析，并制定切实可行的针对性措施，防患于未然。
1空管供电系统谐波污染的来源和危害
1.1空管供电系统的谐波源
目前空管供配电系统中存在着大量的非线性负载，尤其是大功率的空调、消防泵、排烟风机和电梯等机电设备，以及工频UPS和数量众多的开关电源，使用相控整流器在完成整流过程，势必会向输入电源反馈大量的谐波电流，造成较高的总谐波畸变THD对空管配电系统的安全运行产生较大的隐患。
1.2谐波对空管配电系统的影响
1）降低系统运行经济性，引发安全隐患。造成电网的损耗增加、变配电设备寿命缩短、线路和设备过热等。特别是三次谐波会产生较大的中性线电流，使零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行，甚至导致温升异常引发火灾。另外，超标的谐波将导致系统功率因数降低，从而遭到供电局的罚款。严重的谐波还可能引起电网发生谐振，甚至造成电网解裂，引发大面积停电等。
2）损坏供配电设备，造成误动作。一方面，引起变电站感性或容性器件产生并联或串联谐振，造成电压互感器，电容器等损坏。近年来空管台站陆续发生的电压互感器PT和补偿电容烧毁事故，均和当地的谐波污染造成的谐振有关。另一方面，造成变电站统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，使变压器的铜耗增加，引起局部过热、振动、噪声增大、绕组附加发热等。引起变压器、电力电缆、电动机等设备发热，加速绝缘老化。另外，谐波会造成断路器灭弧时间变长，影响其开断容量，导致其分断能力降低，甚至造成断路器或继电保护装置误动或拒动，引发严重的电力事故。
3）难以满足精密设备供电需求，干扰通信质量。谐波主要通过静电和电磁感应，在通信线路上产生声频干扰。影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量，增大附加磁场的干扰等。近年来空管系统中众多精密的监视通信导航计设备仪器都对电能质量指标提出了更高的要求。谐波污染对空管设备的危害主要体现在对设备的检测模块中引入畸变量、干扰正常的分析计算、导致错误的输出结果。
2.谐波产生的原因分析
考虑到高次谐波畸变因数后，整流器的功率因数PF可以表示为 。空管系统大量使用的开关电源，消防泵、排烟风机等机电设备变频器等设备。由于成本限制该类设备多采用桥式整流，则其控制角 ，因此其整流器的功率因数可以表示为 ，也存大量的谐波污染。这时必须用采取适当的措使其电流正弦化，提升功率因数，改善电能质量。
3 空管供电系统的谐波治理
1）设计选型阶段，充分与设计单位沟通协调，优化供配电系统设计。与设计单位就供配电系统结构配置，UPS的类型、容量和冗余配置等问题深入探讨，从设计上减小谐波产生的因素。对于新建系统，尽可能选择高频UPS。由于其采用IGBT作为PWM整流电路的开关器件，可以对输入电流进行控制，使输入电流完全跟随输入电压并且正弦化，大幅减小输入电流的谐波成分，使输入功率因数达0.95以上。某些场合出于对单机可靠性的考量而选择工频UPS时，尽可能选用12脉冲整流器产品，以降低输入谐波分量。对于空管设备所含的开关电源，选择转换效率高，电路拓扑先进，功率因数校正PFC功能完善的类型。
2）针对传统6脉冲和12脉冲整流工频UPS可以采用就地加装5次和11次无源滤波器附件的方式减少5次与11次谐波的产生。滤波电感和滤波电容构成谐振滤波电路，通过谐振频率的设定，对特定输入频率的谐波呈低阻抗达到消除该次谐波的作用，对电流达到波形校正效果。另外，输入电感的感抗对合闸浪涌电流有抑制作用，使整流器免受浪涌冲击的危害。通过加装特定次谐波滤波器，其输入电流谐波仍然较大，输入功率因数提升有限，对发电机容量配比要求较高，降低了发电机的带载量。但是该措施是采用无源器件，可靠性高，性价比突出。
3）采取有效措施，着力解决中性线谐波电流过大问题。采用集中补偿和分散治理相结合的方式，改善系统的运行：在电源进线侧安装有源滤波器集中补偿系统谐波，而对各谐波源分散针对性治理。有源滤波器采用时域分析法，对畸变波形实时跟踪补偿，较好克服了无源滤波器只能抑制固定次数谐波，补偿固定的无功功率缺点，具有高度可控性和快速响应特性，且能补偿各次谐波，自动产生所需变化的无功功率，其特性稳定，不增加额外容性元件，体积轻、重量较小。
4）慎用大功率变频设备，优选变频器拓扑结构。空管中空调、排烟风机，消防泵等设备的变频器整流侧拓扑结构尽量选用多重化结构的产品，保证较好的输入谐波抑制效果。逆变侧，选择技术先进的单元级联多电平结构，以提高输出谐波抑制效果。但考虑到系统结构复杂性，经济性，在塔台等体积受限处安装等因素也可考虑传统的PWM型产品。
5）加强用电设备管理，严格执行用电申请准入制度。供电管理的缺失将对新增设备的安全运行带来了较大的风险，用户私拉乱接会导致某些线路超负运行，甚至出现三相不平衡，对空管的供电安全产生较大的隐患。在今后的运行维护中，逐步清理出未经过供电管理规划的设备，调整各相容量及时解决隐患。同时要加强临时用电管理，对电焊机，电钻等大功率冲击设备，严格核算容量，实行临电施工申请管理制度。制定切实可行的应急预案，并切实演练。
6）运行维护中通过电能质量分析仪定期检查关键线路的谐波含量，做足预防保障工作。定期邀请第三方专业机构进行供电检查和电能质量评估，根据监测结果，定任务、定时间、定措施、定人对发现的电能质量问题及时整改。做到有针对性地维护管理，及时排除隐患。
4 结语
空管供配电运行管理中，电能质量对于供电可靠性和连续起着至关重要的作用。本文探讨了空管供电系统谐波的来源、危害和产生的原因。结合当前空管配电系统的实际，从设计、选型、运维、管理全方位预防和排查谐波污染导致的隐患。通过针对性的谐波治理，一方面提高空管供电系统的供电质量，降低变压器和电缆等的损耗和发热，从而延长设备寿命。另一方面，减少电网中补偿电容器的谐振和关键断路器和保护装置误动作机率，减小谐波对通信信号传输的影响，提升供电系统的可靠性，降低谐波对电网的污染为空管重要设备的稳定可靠运行保驾护航。
参考文献：
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[3] 何川，徐丽杰. 谐波对漏电保护装置的误动影响研究[J]. 华北电力大学学报，2011，4.
论文作者:陈建
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：谐波论文; 空管论文; 设备论文; 功率因数论文; 电能论文; 系统论文; 电流论文; 《电力设备》2019年第4期论文;