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【摘要】海洋石油平台和储油轮上的电气系统一般为独立的电气系统，容量相对较小，电网中的谐波分量因此对电气系统的影响更为明显。本文通过两个具体的例子阐述谐波对海洋石油电气系统的影响，并初步探讨如何消除海洋石油电气系统中的谐波或减少谐波对电气系统造成的影响。
【关键词】谐波 影响 谐波抑制
1 谐波的概念
交流电通常指理论上周期性的正弦波交流电；实际上，电网中存在大量的非正弦电量，若对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。
2 谐波的影响
一般，谐波对电气系统的影响和危害，就其后果来说，可分为两类：第一类是对电力设备的影响，此类影响可以造成设备损坏、缩短设备寿命、或降低出力等；第二类是对计算机、继电保护、控制器或系统、仪表、以及视听设施的影响，此类影响可以造成设备的工作失误或性能劣化。具体表现为：
（1）使系统的效率降低、设备过热、产生振动和噪声、绝缘老化、缩短使用寿命，甚至发生故障、烧毁。
（2）可导致可怕的谐振（并联谐振或串联谐振），使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。
（3）可使继电保护和自动控制裝置误动作。
（4）可影响电能计量的精度，使电能计量出现混乱。对通讯系统和其它电子设备产生严重干扰。
3 谐波的产生（谐波源）
要说明谐波源的问题，必须先说清楚电气系统中的线性负荷和非线性负荷。线性负荷：只含有线性元件（电阻、电感或电容）的负荷，属于线性负荷，对于此类负荷，流过的电流与所施加的电压呈线性关系，如果施加的电压为正弦波，则流过的电流亦为正弦波，例如白炽灯、电动机。非线性负荷：流过的电流与所加的电压不呈线性关系的负荷。在电气系统中，有很多具有非线性特性的电气设备，这些设备运行时会在电网产生谐波电流或产生谐波电压，此类设备是电气系统中主要的谐波源。在海洋石油系统中此类设备有：带有功率电子器件的功率转换设备（整流和逆变，如UPS）、开关电源（计算机，电视机）、变频传动装置、 整流器、充电器、交流控制器、照明控制系统（亮度调节、荧光灯）、变压器、、启动中的大电机、弧焊机和其它产生电弧的设备等。这些设备产生的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。而这其中又以大容量的变压器、电潜泵变频器、UPS、钻井设备等为主要的谐波源。
4 谐波影响的典型例子
4.1 电网系统中大量的谐波使陆丰13-2平台（简写为“LF13-2平台”）的UPS滤波电容烧毁并引发火灾
事件描述：
位于南海海域的LF13-2平台上有两台UPS，每台的容量为40KVA，在2006年3月13日运行时突然冒烟起火，而且是两台UPS先后在同一块电路板上起火。
事件分析：
通过现场的检查，发现两台UPS被烧毁的都是旁路RC滤波板的两个电容，此块电路板的作用主要是滤掉电网中的高频瞬变及高压尖峰，防止旁路可控硅受到干扰而误动作。
测量电网的波形如下：
由以上波形图可以看出谐波量THDU高于国标限值（THDU<5%），在对平台配电盘的电压进行测量时可看到电网波形有较大畸变，相当于在60HZ基波的基础上叠加了幅值约70～80V电压，频率约240Hz的干扰脉冲，周期约30秒，且其变化率（du/dt）远远高于60Hz的基波频率。较大变化率的畸变波形在滤波电容上产生了很大的电流ic= du/ dt，其畸变电流周期性作用于滤波串联电路，导致电阻温度不断升高，再加上位于主机底部的旁路RC滤波单元散热不良，电阻热量持续积累，而UPS 旁路RC 滤波单元中的电阻与滤波电容器件的物理间距较近，谐波电流及热量的辐射导致电容的温度升高，而且滤波交流电容外壳为PVC材质，温度升高到一定程度后电容外壳熔化，直至电容起火。
那么LF13-2平台的电网谐波源是什么呢？看一下LF13-2平台的供电系统：
LF13-2平台本身无主发电机组，主电源由相邻的陆丰13-1平台（简写为“LF13-1平台”）通过一条3*120mm2的海底复合电缆提供，因此LF13-1平台电网的电源质量会对LF13-2平台造成很大的影响。而LF13-1平台有二十几口井，每口井都配有电潜泵控制用的地面变频器，而且在UPS故障时，适逢LF13-1正在进行钻井作业，此作业的SCR等非线性负载又进一步使电源的质量恶化。
事件结论：
除了UPS本身的设计因素外，电网的谐波是引起此次UPS事故的最直接的原因，谐波会让设备发热，如果通风不良或所选的材料不符合阻燃性的要求，则有可能引发电气设备故障，甚至引起火灾。
4.2 2000KVA变压器投入时的空载涌流使发电机的出口断路器跳开并且发电机停机
事件描述：
在LF13-1油田共有四台原油发电机，每台的容量为1800KW（2250KVA），三台并联运行，一台备用，在投入一台2000KVA的变压器时，一台发电机的出口断路器跳闸，并且发电机停车。
事件分析： 通过检查，发现发电机的差动保护继电器动作；然而对发电机和差动保护用的C.T.进行各种检查和测试，未发现问题，检查差动保护继电器，其设定亦应为正常，分析如下：
（1）变压器参数容量：P=2000KVA
初级电压：Vp=4.16KV次级电压：Vs=13.8KV原边电流：Ip=P/（√3*Vp）=2000/
（1.732 * 4.16）=277.6A
合闸时浪涌电流假设为8倍的额定电流：则 Iri=277.6* 8=2220.8A。
（2）发电机的短路电流保护（瞬动）设定值为40A，C.T.的规格为500/5 A，即相当于主电路电流为4000A时瞬动才会动作。
（3）差动保护的设定值为10%，按照正常的电气系统中的发电机差动保护设定值，已经是一个比较大的设定值。
然而，在这个案例中，发电机的差动保护继电器动作，但是短路电流保护（瞬动）不动作，排除发电机和母线短路的原因外，经检查，发现此类的差动保护继电器为型号比较旧的电磁继电器，无比率制动功能；而变压器投入时，存在大量的谐波分量，再考虑到C.T.的误差（即使是同型号的C.T.亦会有误差），即可导致大电流下的差流并引起此种继电器动作。
差动保护是用某种通信通道将电气设备两端的保护装置纵向联接起来，并将两端电气量比较来判断保护是否动作，其基础是基尔霍夫定律。根据该定律，保护范围内流入与流出的电流应该相等。当保护范围内发生故障时，其流入与流出的电流不等，差动保护就根据这个不平衡电流动作。差动保护原理简单易于实现，有很高的动作选择性和灵敏度，以其优越的保护性能成为大容量、高电压变压器的主保护以及发电机的保护，缺点是在电路非稳态的情况下容易误动。
对于变压器来说，变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路，在不计磁滞及铁芯未饱和时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸变。饱和越深，电流波形畸变越严重。当大容量的变压器空载投入时，因铁心饱和及存在剩磁会出现很大的励磁电流即励磁涌流，其特点是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次谐波分量且以二次谐波为主、波形之间有间断，其大小和衰减时间与外加电压、铁芯剩磁大小与方向、回路阻抗、变压器容量和铁芯性质有关。对于三相交流变压器，由于三相之间相差120度，所以任何瞬间合闸至少有两相出现不同的励磁涌流，它对变压器差动保护甚至上端发电机的差动保护的正确动作有不利影响，而在稳态运行及差动范围外发生故障时则影响不大。
为了避免励磁涌流的影响，可以采用新型的综合继电保护装置，比如采取带比率制动的综合继电保护装置即可解决此类问题。所谓比率制动特性差动保护简单说就是使差动电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用。而在内部故障时，制动作用最小。
事件结论：
因为发电机的差动保护继电器未包括比率制动功能或谐波制动功能，变压器空载投入时的励磁涌流及其中的大量谐波成分使发电机的差动保护继电器动作而导致发电机停机。
5 谐波的抑制和注意事项
在海洋石油系统中，因為有大量电潜泵控制变频器的存在，因此如何消除变频器的谐波影响是一个必须要正视的问题。谐波的影响有两方面的内容：变频器谐波对其输入电网（和同网的其它电气设备）的影响，以及变频器输出谐波对井下设备的影响。
关于消除变频器谐波对其输入电网的影响，目前比较常用的有以下几种方法：
（1）在每台变频器前增加一台谐波滤波器。
（2）在总的变频器输入母线上增加总的谐波滤波器。
（3）采用12脉冲或甚至24脉冲的变频器代替6脉冲的变频器，即通过整流电路的多重化，可有效降低谐波成分。
在前两种方法中，可以是无源滤波器或有源滤波器。
无源滤波器：无源滤波器由 L、C、R元件构成谐波共振回路，当 LC 回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及维护方便。无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大。
有源滤波器：有源滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波成分。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响；与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点。且可消除与系统阻抗发生谐振危险，因而受到广泛的重视。
除了考虑变频器的谐波对其输入电网（和同网的其它电气设备）的影响外，还必须考虑变频器输出谐波对井下设备的影响。实际上，由于电潜泵的昂贵费用、维护的不方便性以及其对连续生产的巨大影响，在海洋石油系统中，变频器输出谐波对井下设备的影响考虑得已很充分。生产电潜泵控制变频器的厂家有很多，但从输出方式来看，有两类：
（1）六步方波输出（2）PWM波输出。
对于六步方波输出，其最大的优点是价格便宜、体积小、发热小、无需输出滤波器，但由于输出的是方波，容易引起转矩脉动、电潜泵电机的温升较大，影响电潜泵的使用寿命。对于PWM波输出的变频器，一定需要一个输出滤波器，使输出的波形尽量接近正弦波（现在已经有正弦波滤波器，输出的波形基本上为正弦波），否则PWM波的尖峰过电压会使井下电缆或电潜泵电机的绝缘老化甚至绝缘击穿。有些厂家的变频器现在已经可以做到兼有两种运行方式，即既可设定为六步方波输出，亦可设定为PWM波输出；或者在正常运行时设定为PWM波输出，在输出滤波器故障的情况下，自动转为六步方波输出的运行模式，从而避免因输出滤波器故障而停泵的情况。
6 结束语
如何抑制海洋石油电气系统中的谐波，是一个比较复杂的问题。如果要做得比较好，需要对电气系统做一个整体的研究并进行谐波计算，比如要考虑：各种非线性负载及数量，海底电缆的参数、各变压器的负载率、是否有谐波补偿装置或无功功率补偿装置等等。此外，在选用设备及设备安装方面，需要考虑到谐波的因素，避免因谐波的影响而引起设备故障或甚至引起电气事故。
参考文献
[1] 吴竞昌，供电系统谐波[M].北京：中国电力出版社，1998，5
[2] 王兆安，杨君，刘进军，王跃.谐波抑制和无功功率补偿（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2006，1-1
作者简介
李文年（1971-），男（汉族），工程师，1994毕业于中国石油大学（华东）工业电气自动化专业，现从事海洋石油设施维护及工程项目管理工作。
【关键词】谐波 影响 谐波抑制
1 谐波的概念
交流电通常指理论上周期性的正弦波交流电；实际上，电网中存在大量的非正弦电量，若对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1） 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。
2 谐波的影响
一般，谐波对电气系统的影响和危害，就其后果来说，可分为两类：第一类是对电力设备的影响，此类影响可以造成设备损坏、缩短设备寿命、或降低出力等；第二类是对计算机、继电保护、控制器或系统、仪表、以及视听设施的影响，此类影响可以造成设备的工作失误或性能劣化。具体表现为：
（1）使系统的效率降低、设备过热、产生振动和噪声、绝缘老化、缩短使用寿命，甚至发生故障、烧毁。
（2）可导致可怕的谐振（并联谐振或串联谐振），使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。
（3）可使继电保护和自动控制裝置误动作。
（4）可影响电能计量的精度，使电能计量出现混乱。对通讯系统和其它电子设备产生严重干扰。
3 谐波的产生（谐波源）
要说明谐波源的问题，必须先说清楚电气系统中的线性负荷和非线性负荷。线性负荷：只含有线性元件（电阻、电感或电容）的负荷，属于线性负荷，对于此类负荷，流过的电流与所施加的电压呈线性关系，如果施加的电压为正弦波，则流过的电流亦为正弦波，例如白炽灯、电动机。非线性负荷：流过的电流与所加的电压不呈线性关系的负荷。在电气系统中，有很多具有非线性特性的电气设备，这些设备运行时会在电网产生谐波电流或产生谐波电压，此类设备是电气系统中主要的谐波源。在海洋石油系统中此类设备有：带有功率电子器件的功率转换设备（整流和逆变，如UPS）、开关电源（计算机，电视机）、变频传动装置、 整流器、充电器、交流控制器、照明控制系统（亮度调节、荧光灯）、变压器、、启动中的大电机、弧焊机和其它产生电弧的设备等。这些设备产生的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。而这其中又以大容量的变压器、电潜泵变频器、UPS、钻井设备等为主要的谐波源。
4 谐波影响的典型例子
4.1 电网系统中大量的谐波使陆丰13-2平台（简写为“LF13-2平台”）的UPS滤波电容烧毁并引发火灾
事件描述：
位于南海海域的LF13-2平台上有两台UPS，每台的容量为40KVA，在2006年3月13日运行时突然冒烟起火，而且是两台UPS先后在同一块电路板上起火。
事件分析：
通过现场的检查，发现两台UPS被烧毁的都是旁路RC滤波板的两个电容，此块电路板的作用主要是滤掉电网中的高频瞬变及高压尖峰，防止旁路可控硅受到干扰而误动作。
测量电网的波形如下：
由以上波形图可以看出谐波量THDU高于国标限值（THDU<5%），在对平台配电盘的电压进行测量时可看到电网波形有较大畸变，相当于在60HZ基波的基础上叠加了幅值约70～80V电压，频率约240Hz的干扰脉冲，周期约30秒，且其变化率（du/dt）远远高于60Hz的基波频率。较大变化率的畸变波形在滤波电容上产生了很大的电流ic= du/ dt，其畸变电流周期性作用于滤波串联电路，导致电阻温度不断升高，再加上位于主机底部的旁路RC滤波单元散热不良，电阻热量持续积累，而UPS 旁路RC 滤波单元中的电阻与滤波电容器件的物理间距较近，谐波电流及热量的辐射导致电容的温度升高，而且滤波交流电容外壳为PVC材质，温度升高到一定程度后电容外壳熔化，直至电容起火。
那么LF13-2平台的电网谐波源是什么呢？看一下LF13-2平台的供电系统：
LF13-2平台本身无主发电机组，主电源由相邻的陆丰13-1平台（简写为“LF13-1平台”）通过一条3*120mm2的海底复合电缆提供，因此LF13-1平台电网的电源质量会对LF13-2平台造成很大的影响。而LF13-1平台有二十几口井，每口井都配有电潜泵控制用的地面变频器，而且在UPS故障时，适逢LF13-1正在进行钻井作业，此作业的SCR等非线性负载又进一步使电源的质量恶化。
事件结论：
除了UPS本身的设计因素外，电网的谐波是引起此次UPS事故的最直接的原因，谐波会让设备发热，如果通风不良或所选的材料不符合阻燃性的要求，则有可能引发电气设备故障，甚至引起火灾。
4.2 2000KVA变压器投入时的空载涌流使发电机的出口断路器跳开并且发电机停机
事件描述：
在LF13-1油田共有四台原油发电机，每台的容量为1800KW（2250KVA），三台并联运行，一台备用，在投入一台2000KVA的变压器时，一台发电机的出口断路器跳闸，并且发电机停车。
事件分析： 通过检查，发现发电机的差动保护继电器动作；然而对发电机和差动保护用的C.T.进行各种检查和测试，未发现问题，检查差动保护继电器，其设定亦应为正常，分析如下：
（1）变压器参数容量：P=2000KVA
初级电压：Vp=4.16KV次级电压：Vs=13.8KV原边电流：Ip=P/（√3*Vp）=2000/
（1.732 * 4.16）=277.6A
合闸时浪涌电流假设为8倍的额定电流：则 Iri=277.6* 8=2220.8A。
（2）发电机的短路电流保护（瞬动）设定值为40A，C.T.的规格为500/5 A，即相当于主电路电流为4000A时瞬动才会动作。
（3）差动保护的设定值为10%，按照正常的电气系统中的发电机差动保护设定值，已经是一个比较大的设定值。
然而，在这个案例中，发电机的差动保护继电器动作，但是短路电流保护（瞬动）不动作，排除发电机和母线短路的原因外，经检查，发现此类的差动保护继电器为型号比较旧的电磁继电器，无比率制动功能；而变压器投入时，存在大量的谐波分量，再考虑到C.T.的误差（即使是同型号的C.T.亦会有误差），即可导致大电流下的差流并引起此种继电器动作。
差动保护是用某种通信通道将电气设备两端的保护装置纵向联接起来，并将两端电气量比较来判断保护是否动作，其基础是基尔霍夫定律。根据该定律，保护范围内流入与流出的电流应该相等。当保护范围内发生故障时，其流入与流出的电流不等，差动保护就根据这个不平衡电流动作。差动保护原理简单易于实现，有很高的动作选择性和灵敏度，以其优越的保护性能成为大容量、高电压变压器的主保护以及发电机的保护，缺点是在电路非稳态的情况下容易误动。
对于变压器来说，变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路，在不计磁滞及铁芯未饱和时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸变。饱和越深，电流波形畸变越严重。当大容量的变压器空载投入时，因铁心饱和及存在剩磁会出现很大的励磁电流即励磁涌流，其特点是含有很大成分的非周期分量、含有大量的高次谐波分量且以二次谐波为主、波形之间有间断，其大小和衰减时间与外加电压、铁芯剩磁大小与方向、回路阻抗、变压器容量和铁芯性质有关。对于三相交流变压器，由于三相之间相差120度，所以任何瞬间合闸至少有两相出现不同的励磁涌流，它对变压器差动保护甚至上端发电机的差动保护的正确动作有不利影响，而在稳态运行及差动范围外发生故障时则影响不大。
为了避免励磁涌流的影响，可以采用新型的综合继电保护装置，比如采取带比率制动的综合继电保护装置即可解决此类问题。所谓比率制动特性差动保护简单说就是使差动电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用。而在内部故障时，制动作用最小。
事件结论：
因为发电机的差动保护继电器未包括比率制动功能或谐波制动功能，变压器空载投入时的励磁涌流及其中的大量谐波成分使发电机的差动保护继电器动作而导致发电机停机。
5 谐波的抑制和注意事项
在海洋石油系统中，因為有大量电潜泵控制变频器的存在，因此如何消除变频器的谐波影响是一个必须要正视的问题。谐波的影响有两方面的内容：变频器谐波对其输入电网（和同网的其它电气设备）的影响，以及变频器输出谐波对井下设备的影响。
关于消除变频器谐波对其输入电网的影响，目前比较常用的有以下几种方法：
（1）在每台变频器前增加一台谐波滤波器。
（2）在总的变频器输入母线上增加总的谐波滤波器。
（3）采用12脉冲或甚至24脉冲的变频器代替6脉冲的变频器，即通过整流电路的多重化，可有效降低谐波成分。
在前两种方法中，可以是无源滤波器或有源滤波器。
无源滤波器：无源滤波器由 L、C、R元件构成谐波共振回路，当 LC 回路的谐波频率和某一次高次谐波电流频率相同时，即可阻止高次谐波流入电网。无源滤波器特点是投资少、频率高、结构简单、运行可靠及维护方便。无源滤波器缺点是滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能、耗费多、体积大。
有源滤波器：有源滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波成分。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响；与无源滤波器相比具有高度可控性和快速响应性，有一机多能特点。且可消除与系统阻抗发生谐振危险，因而受到广泛的重视。
除了考虑变频器的谐波对其输入电网（和同网的其它电气设备）的影响外，还必须考虑变频器输出谐波对井下设备的影响。实际上，由于电潜泵的昂贵费用、维护的不方便性以及其对连续生产的巨大影响，在海洋石油系统中，变频器输出谐波对井下设备的影响考虑得已很充分。生产电潜泵控制变频器的厂家有很多，但从输出方式来看，有两类：
（1）六步方波输出（2）PWM波输出。
对于六步方波输出，其最大的优点是价格便宜、体积小、发热小、无需输出滤波器，但由于输出的是方波，容易引起转矩脉动、电潜泵电机的温升较大，影响电潜泵的使用寿命。对于PWM波输出的变频器，一定需要一个输出滤波器，使输出的波形尽量接近正弦波（现在已经有正弦波滤波器，输出的波形基本上为正弦波），否则PWM波的尖峰过电压会使井下电缆或电潜泵电机的绝缘老化甚至绝缘击穿。有些厂家的变频器现在已经可以做到兼有两种运行方式，即既可设定为六步方波输出，亦可设定为PWM波输出；或者在正常运行时设定为PWM波输出，在输出滤波器故障的情况下，自动转为六步方波输出的运行模式，从而避免因输出滤波器故障而停泵的情况。
6 结束语
如何抑制海洋石油电气系统中的谐波，是一个比较复杂的问题。如果要做得比较好，需要对电气系统做一个整体的研究并进行谐波计算，比如要考虑：各种非线性负载及数量，海底电缆的参数、各变压器的负载率、是否有谐波补偿装置或无功功率补偿装置等等。此外，在选用设备及设备安装方面，需要考虑到谐波的因素，避免因谐波的影响而引起设备故障或甚至引起电气事故。
参考文献
[1] 吴竞昌，供电系统谐波[M].北京：中国电力出版社，1998，5
[2] 王兆安，杨君，刘进军，王跃.谐波抑制和无功功率补偿（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2006，1-1
作者简介
李文年（1971-），男（汉族），工程师，1994毕业于中国石油大学（华东）工业电气自动化专业，现从事海洋石油设施维护及工程项目管理工作。