摘要：针对目前一些大工厂高压用户，特别是使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后，由于整流脉冲周期性关断和导通的特性，对于6脉冲整流回路，产生6n±1(n=1，2……)次高次谐波。这些高次谐波电流流向电网，会严重的影响电网的质量。如果我们合理的设计选择交流滤波装置，就可以很好地滤掉高次谐波电压，以减少对电力网的影响，提高功率因数，降低谐波损耗。

1前言

随着现代化建设的迅猛发展，特别是钢铁、电气化铁路等所用的直流设备，三相对称的交流系统经过可控硅整流设备整流后，就会产生高次谐波，增加谐波损耗，降低功率因数。对电力网有很大的危害，它不仅影响电网的质量，而且还对电网的可靠性有很大的影响，严重时造成继电保护误动，烧毁微机保护线路板、数字电度表及其它微机装置。在一个用户变电站安装并联电容器来提高功率因数，同时安装交流滤波装置可以消除高次谐波。本文主要就消除高次谐波，合理的选择交流滤波器进行理论计算和讨论。

2高次谐波的产生

可控硅整流设备、整流装置及电弧炉是产生高次谐波电流的主要来源。下面是一个变电站没有安装交流滤波装置前实测的高次谐波电流值：I5=54A

3单调谐滤波器运行动态分析

不考虑电力系统电阻分量的滤波器典型电路图分析：

In：用电设备产生的n次谐波电流(电流源)(A);

Inx：流入电力系统的n次谐波电流(A);

InL：流入滤波器的n次谐波电流(A);

jωL：电力系统谐波电抗，其值决定于该点三相短路容量，并正比于谐波次数(Ω);

jωL1：滤波器回路中电抗器的谐波电抗(Ω);1/jωC：滤波器回路中电容器的谐波电抗(Ω);

R：滤波器回路之电阻，其值大小影响滤波器的品质因数q=ωL1/R，它是滤波回路连线电阻及人为串入的电阻之和。R值增大，品质因数q降低，回路有功损耗变大，但有利于滤波器的安全运行。工程设计中应该设法不串入电阻，利用滤波器本身电阻的大小来改变品质因数的好坏，这样可以使滤波器的接线简单并有较好的滤波效果。

3.1电压谐振

如图1回路阻抗为：

式中：ω—谐振角频率;

n—谐波次数

当Zn的虚部为零时，产生串联谐振。此时滤波器工作在理想状态，设计滤波器以此为基础，考虑安全运行加以调整滤波器参数。

3.2电流谐振

如图2，回路阻抗为：

当Zn的虚部为零时，产生并联谐振，此时Zn为纯电阻性，而且其值为最大，作为工程计算可以按Zn最大时产生电流谐振计算谐振频率。

由上述计算得出并联谐振角频率和回路参数的关系式，当R=0时，ω=1/

最大，谐振电压最大，则谐波电流被放大，滤波器失调;当R变大时。W变小，损耗也随之变大，滤波效果不好;当R为无穷大时，相当未投入滤波器，谐波电流全部流入系统。因此，靠改变R值的大小设计的滤波器不是理想的滤波器。下面一组曲线可以说明，见图3。

由于电力系统频率的变化、环境温度的变化等因数，滤波器的谐振频率也随之变化。当选择的品质因数较大时，就很容易发生并联谐振。为了提高滤波效果，避免发生并联谐振，减少基波和谐波损耗，我们设计为全偏移谐振滤波器，如图4，就是人为的把电压谐振点选择在-δM处。

4全偏移滤波器的设计

4.1等值频率偏移

其中：电网频率变化产生的偏移：δf=Δf/f，Δf-电网频率偏移，f=50Hz

环境温度变化引起电容器电容量变化产生的偏移：

δc=aΔt/2

a—为电容器温度系数;

的电抗量标么值;

.测量误差δm=±0.002～±0.005

4.2计算C、L及RLnRCn值

˙计算品质因数：

，其中?为电力系统谐波阻抗角，一般φ=85°。

˙电容器承受的基波电压：

XC—电容器的基波容抗;UCN—电容器的额定电压;λ—峰值谐波过电压系数;In—n次谐波电流;Kfn—n次谐波放大系数;n—谐波次数。

˙电抗器的电抗为：L=XL/2πf(6)

4.3滤波电容器的校验

Kfn—谐波放大系数，按极限值考虑Kfn=1

5 设计实例

唐山地区一座110KV用户变电站，是使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后，主要是5次谐波。其参数如下：

5次谐波电流为I5=54A，10KV母线路容量为

按电网低频减载保护动作值为49.5Hz计算。

按式(1)求出UC=6315V

按式(2)求出XC=110.08Ω

选择7.2kV，100kvar的单台电容器，X′C=7.22/0.1=518.4Ω。电容器并联的台数，p=518.4/110.08=4.71台，取p=5台。则XC=7.22/5×0.1=103.68Ω，5次谐波阻抗为：X5=103.68/5=20.74Ω。

按式(6)求出:

电抗器的谐波电阻为：取qLn=60，RLn=X5/qLn=20.74/60=0.346Ω。电容器的谐波电阻为：Rcn=X5tanθ=20.74×0.0008=0.017Ω，Rfn=0.346+0.017=0.3626Ω，实际的品质因数为：q=20.74/0.3626=57.2，接近要求值。

6现场实测

用仪器对该变电站进行实测的结果：接入滤波器前的波型如图5，接入滤波器后的波型如图6所示。而且，该站110kV进线的功率因数由原来的0.4左右提高到0.95以上。

7结论

对于使用直流电机的轧钢企业，通过可控硅整流设备整流后产生的高次谐波，其主要为5次谐波。按上述设计的滤波器装置可以很好的滤掉高次谐波。提高功率因数，降低无功损耗。而设计滤波器的关键是选择合理的RLn值。

参考文献

[1]陈延镖.钢铁企业电力设计手册[J].冶金工业出版社，1996.

[2]卓乐友.电力工程电气设计手册[J].中国电力出版社，1996.

[3]吴竟昌.供电系统谐波[J].1998.