高压滤波装置设计与应用导则浅析
0 引言
《高压滤波装置设计与应用导则》是指导我们对高压无源电力滤波装置进行设计、应用的指导性标准，但由于以往高压无源滤波设计上各种企业标准的差异化，会对读者理解该标准内容带来观念上的不统一，为了便于读者针对本标准关键技术问题理解和运用，我们就有针对性选取了标准上的一些重要的知识点作为重点解读浅析的目标，结合平时应用技术经验讲解帮助读者更好理解和用好标准，打开一道启迪之门。
1 对于标准中术语和定义中谐波相关概念理解与应用
1.1 对于基波和谐波两个概念的基本理解
有关资料对于谐波正确定义为供电系统谐波的定义是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。谐波实际上是一种干扰量，其频率范围一般为2≤n≤40，使电网受到“污染”。
为了更还理解整流设备所造成谐波问题理解，我们可以引入整流设备的“脉波”这个概念，所谓几脉指的就是单相半波整流，在一个交流周期内，输出一个半波，或者叫一个脉波，...以此类推一个交流周期内输出几个脉波就称为几脉整流；
在《电气传动自动化技术手册》中明确指出：多脉动整流装置产生的特征谐波电流In含量（%）
m | p | 特征谐波次数n次及谐波电流In含量（%） | ||||||||||||
1 | 3 | 5 | 7 | 9 | 11 | 13 | 15 | 17 | 19 | 21 | 23 | 25 | ||
1 | 6 | 100 | -- | 20 | 14.3 | -- | 9.1 | 7.7 | -- | 5.9 | 5.3 | -- | 4.3 | 4.0 |
2 | 12 | 100 | -- | -- | -- | -- | 9.1 | 7.7 | -- | -- | -- | -- | 4.3 | 4.0 |
3 | 18 | 100 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 5.9 | 5.3 | -- | -- | -- |
4 | 24 | 100 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | -- | 4.3 | 4.0 |
那么，整流设备谐波源只要是针对几脉整流，就基本可以锁定滤波主要对象了，例如：对于6脉整流设备，主要就是针对5、7次谐波进行处理了，…以此类推到了24脉整流设备主要产生的是23、25次谐波，所以，对于6脉和12脉的整流设备的滤波对象不同，滤波成本和策略也略有区别，但对于24脉整流设备而言，它对于50Hz基波影响已经不是很大了，基本可以不用治理了。
所以，由以上定义我们就可以正确理解标准中第3节的术语和定义中，有关谐波的诸如基波分量、谐波分量、谐波次数、谐波含量以及谐波源等一些列概念性问题，同时对标准中6.3节的滤波装置的组合内容也会有一个基础了解。
1.2 由谐波概念引出两个重要观察量的理解
⑴ 标准中观测量概念释义：
标准中第3节的术语和定义里，3.1.1内容中PPC公共连接点之所以重点提出，是因为该参考点决定着高压滤波装置设计中短路电流计算原点，有了起始点才能将穿越不同电压等级下的各种有名值阻抗归算到统一基准值下标么值网络简化计算，它的应用意义非常重大的。
标准标准中第3节的术语和定义里，3.1.2内容中对谐波测量点定义：对于电网的公共母线和电力线路或用户母线和供电线路以及有关设备或装置进行谐波测量的特定点。
而要弄清楚谐波对于电网系统的干扰和影响，就必须结合背景谐波概念来帮助理解实际应用中，利用对谐波测量点选取不同，观察测量位置谐波含量变化，更好的分析谐波对系统的影响和干扰。
⑵ 引入背景谐波概念辅助理解
所谓背景谐波就是指的是电网初始状态下的谐波情况，它分为两部分，一部分为上级电网的谐波渗透，另一部分来自本级电网内部谐波源影响，有这个参考点测量点，就可以进行投入用电设备和调谐补偿设备前后的对比分析，从系统背景参考点位置获得谐波对系统影响和变化，实时观测到谐波电流分布与走向了。
⑶ 应用谐波测量点不同的谐波测量点，比较分析谐波源对系统影响。
① 区分谐波源受内、外网谐波叠加的影响
先停止系统内所有用电设备，在供电母线侧的进线位置，测得背景谐波参数就是外网带给用电设备的谐波渗透状况，再开启所用用电设备，再次观测点测得背景谐波参数，这就是系统内、外谐波源叠加后母线侧背景谐波。
② 区分投入调谐无功补偿设备前后的谐波变化情况
开启系统内所用（部分）用电设备，但停止所有调谐补偿设备，在母线进线位置测得背景谐波就是系统内、外谐波源所造成谐波污染原始状态，然后分别有层次逐个投入调谐补偿设备，同时在同一观测点监测系统谐波参数变化情况，就可以获知谐波对系统内设备产生干扰和影响。
③ 区分谐波对用电设备和补偿设备的影响
最后通过就地位置的用电设备和无功滤波补偿设备实地谐波参数的观测，与设备本身的额定值和运行参量进行比较，就可以清晰看出谐波电流分布走向对设备影响。同时为了区分电抗器对调谐补偿设备滤波效果，还可以局部短接电抗器部分，在就地位置测试一下串联电抗器前后，调谐补偿设备的谐波参数变化，来判别电抗器对于调谐补偿设备的影响。
2 对于标准中设计方法的滤波器类型确定原则辅助理解
2.1 对于本标准第6节 6.1项滤波器类型确定的释义
2.1.1 常用滤波器种类和分工
单调谐滤波器，最简单，应用最广泛。主要用于滤除单一频率的谐波，双调谐滤波器，用于滤除两种频率的谐波，2阶阻尼滤波器，又称高通滤波器。主要用于滤除某个频率以上的所有高次谐波，C型滤波器，阻抗特性与高通滤波器相似，但是基波损耗小，主要用于低次谐波多的场合，如谐波源为电弧炉的用电系统。
2.1.2 引入谐波电流特性曲线来理解6.3项滤波装置组合的搭配意义
电力系统中主要谐波源为电流源，其主要特征是外阻抗变化时，电流不变，根据谐波电流在系统支路和电容器支路中的分配与各支路的阻抗成反比，可得到回路的基本特性方程，由特性方程可以绘制出系统谐波电流谐振特性曲线，如下图：
⑴ 谐波电流谐振的特性曲线的物理意义就是对所画定的区域有一个定性分析。
① 抑制谐波的滤波补偿区：电容器支路对该次谐波成感性。该区域是抑制谐波的滤波补偿区。
②自然补偿区：电容器支路对该次谐波均成容性，系统和电容器两支路谐波电流都受到不同程度的放大。电容器支路不串电抗或仅串电抗率很低的电抗仍能进行正常的无功补偿，故该区域可称为自然补偿区。
③ 谐波电流的谐振区：电容器支路和系统支路谐波电流都会被严重放大甚至发生谐振，
④ 全滤波补偿区：对谐波呈串联谐振状态。此时由于对该次谐波阻抗为0，该次谐波全部流入该电容支路。于是该点就是滤除该次谐波最佳位置，实际的滤波支路工作点就在该点附近。
⑵ 很显然滤波器是工作在滤波补偿区。
无源滤波补偿在电容器支路中串联了足够大的电抗使得ξ再变为正值，则电容器支路对谐波呈感性。系统谐波电流就不再被放大。电容器支路流进了部分谐波电流，分流了注人系统的部分谐波电流。即此时电容器支路不仅能对基波进行有效的无功补偿，而且还能滤去部分谐波电流。
2.2，由此分析就不难理解滤波器组合原理
标准中6.3.2项滤波器组合原则：在满足无功补偿，谐波滤波和电压波动指标的前提下，力求滤波器数量最少。
说明在滤波补偿区里，滤波回路在做到最大滤波效果同时，既要补偿工频回路无功需求，也要注意系统谐振点对于无源滤波补偿影响。
3、对于标准中设计依据中安全运行要求的理解
3.1 滤波器并联谐振次数计算公式：
HOT.jpg)
此式给出了谐波次数与母线短路容量、电容器组容量以及电抗率之间的关系。它同样满足“电容器的容量增加，使谐振点向低值移动；母线短路容量的增加，使谐振点向高值移动”的结论。同时，我们更加关心的是，高压滤波器滤除的谐波次数和它们与系统电抗引起的并联谐振的次数之间的关系。
3.2 系统发生并联谐振时，谐振次数与母线短路容量和电容器的关系：
① 电容器的容量的增加，使谐振次数向低值移动。
② 母线短路容量的增加，使谐振次数向高值移动。
3.3 为避免投切滤波器时发生谐振，滤波装置各路滤波器的投切次序：
投人时，应先低次后高次；
切除时，应则先高次后低次。
3.4 以上辅助分析可以更好理解标准第5.2节的安全运行要求中滤波器投切策略的问题了。
标准第5.2.7.7项中明确指出：多个滤波器组成的滤波装置，不同调谐频率的滤波器之间应设置适当的投切闭锁，保证不同调谐频率的滤波器投切时不会出现系统谐波放大，投入时按调谐频率由低至高逐级投入，切除时则相反。、
4、对于标准中滤波装置接线方式注意要点
4.1 串联滤波电抗分为两种：铁芯电抗器和空心电抗器。
从全面经济角度对比有设计者根据滤波技术要求灵活选配不同形式电抗器
铁芯电抗器：适用于不发生饱和现象回路，即回路中电流不会发生很大变化，即使变化也不会持续很长时间，主要针对谐波源负荷变化不大或变化不频繁系统中应用。
空心电抗器：适用于电流变化个很大而且需要电抗值有线性特性场合，即电抗器线圈外没有铁磁性材料，不会发生铁磁饱和以及磁滞现象场地，主要针对谐波源负荷变化比较快且负荷电流波动频繁系统中应用，例如：轧钢机频繁过钢，电流谐波变化快且频繁。
4.2 滤波电抗器两种接线方式不同关注点。
⑴ 电抗器前置与后置区别
标准6.2.2项中电抗器前置接线中描述：图2 a)为电抗器前置接线，电抗器本体对地绝缘，当滤波电抗器与电容器连线发生对地短路或电容器发生全部击穿时，滤波电抗器将承受短路电流和电压，其动、热稳定要求同断路器相同。
这一点说明电抗器前置是对高压电抗器绝缘和材质、以及工艺要求较高。
标准6.2.2项中电抗器后置接线中描述：图2 b)为电抗器后置接线，当滤波电抗器与电容器连线发生对地短路或电容器发生全部击穿时，滤波电抗器被旁路，短路电流小于滤波器正常工作电流，仅当电容器组被全部击穿时，电抗器动、热稳定要求同断路器相同。
这一点说明电抗器后置是对高压电抗器要求略低一些。
⑵ 电抗器前置与后置配置
标准6.2.2项中电抗器前置接线中描述： 对于高压滤波器，一般推荐采用电抗器前置接线方式，这样可以限制短路电流，同时电容器可采用双星型接法，便于不平衡保护。通常大都滤波空心电抗器串联方式都选择前置式。
标准6.2.2项中电抗器前置接线中描述：对于耐受短路电流能力较差电抗器，如容量小的扁形电抗器，一般考虑电抗器后置接线方式。通常大都滤波铁芯电抗器串联方式都选择这种形式。
5 结语
本文通过实际应用经验，以及结合相关概念引入说明，对《高压滤波装置设计与应用导则》中的一些重点概念，及应用关键论述点做了一些辅助阅读浅析和导读，试图以此让大家更好理解本标准相关实际内容，领悟好标准正确含义，应用好标准先关规定，为依照国标相关规定设计好高压滤波装置，同时使用好标准相关设计、检验、调试规范做一个好的引导与借鉴。
参考文献：
[1] 《高压滤波装置设计与应用导则》 2011-07-27发布 2011-12-01实施
[2] 冀向华 《调谐型无功补偿装置选型设计》 2007年PAE应用论文，2007
[3] 盛小伟、黄梅 《无功补偿电容器组的并联谐振分析》 《电力电容》，2006.05
[4] 郑元学 《电网含谐波源时的无功补偿分析》 《建筑电气》，2000.01
作者简历：
赵国强
出生年月：1970.02.24 学历：大专
身份证编号：420601197002244519
毕业院校及专业：北京航空航天大学 空调制冷及其测试技术
供职：湖北万洲电气集团有限公司武汉研发中心襄阳分部
单位地址：湖北省襄阳市长征路58号
邮政编码：441001
职务：电能质量首席工程师
职称：研发工程师
研究领域：电气自动化与节能领域
研究课题：电能质量分析与控制、系统节电技术、DCS工控机及组态控制技术、传动控制与自动化。
作者联系方式：
工作单位电话：0710-3400558-8055
手机：13797733157
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