摘要：在供电要求越来越高的今天，清楚明白谐波产生的原因，有助于在现实使用中减少谐波的产生；知道无功补偿的好处，就会主动在工作中自觉提升功率因数；知道谐波的危害，就会在选型时避免谐波严重的设备；知道滤波的工作原理，会在工作中自觉考虑如何能更好地提升滤波效果，为设备提供更好、更清洁的电源。随着对滤波补偿设备认识的提升，会从设计原理上知道设备哪里容易出现问题，出现问题后如何进行维护，更好地保障设备安全可靠运行。
关键词：无功补偿 谐波滤波 谐振
泰山中天门索道为索道专用低压电源配备了无功补偿及滤波系统，这不仅是为索道供电安全着想，也是因为当地供电局对功率因数有较高的要求。2000年开始使用的是手动投切的无功补偿和滤波系统，因为索道负载总是在变化中，投入的补偿功率在一段时间内却是固定的，功率因数总体来讲很难补偿到0.9，而且在使用中系统的稳定性不高，接触器和电容损坏较多。在2015年对使用15年的老系统进行了升级，新系统实现了根据实时的功率因数实现了自动投切，并且对使用的电气元件在设计上做了充分的冗余，这样整个系统的工作稳定性有了非常大的提升。通过这4年的使用，最直观的表现是自动投切系统运行良好，现在已经可以将功率因数降提升到95％；再就是运行中电容、接触器等器件都没有损坏，连接线接头都正常没有出现过热现象，只出现过两次分路空开跳闸。现在这套系统已经平稳运行了四年，成为供电系统不可分割的一部分，今天希望能与大家共同学习讨论此系统的工作原理，用理论更好地指导设备维护保养，更好地保障索道的安全运行。
滤波补偿系统就是将谐波治理和无功补偿两个作用系统地整合在一起，
相互融合成一个整体，但是在作用上还是分为无功补偿和谐波滤波，先从容易理解的无功补偿开始，再讨论滤波系统。
一、无功补偿系统
1、什么是无功功率
现实中我们常用的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等大多属于电感性负荷，电容性的负荷非常少见。这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。为何要消耗无功功率呢，是因为它们是根据电磁感应原理工作的，如变压器、电机等，要依靠交变磁场才能进行能量的转换和传递，为建立交变磁场和感应磁通需要的电功率就成为无功功率。同时电容器建立电场也需要无功功率，与电机等感性负载需要的无功功率，在时间上正好相反，就是说：电容吸收无功功率时，正是电机放出无功功率的时候；反之，电机吸收无功功率时，又正好是电容放出无功功率的时候。这样，电机和电容就互相交换无功功率，不需要从电源上吸收或者释放无功功率了，就相当于电容代替电源向电机提供了无功功率，也就是无功补偿。当然所谓的无功并不是无用，只是它的功率并没有转换为我们需要的机械能、热能而已，因此在供电系统中除了需要有功功率外，还需要无功无功，二者缺一不可。
2、提升无功功率的好处
对于视在功率、有功功率、无功功率三者之间是一个三角函数关系：
〖K_va〗^2=〖K_w〗^2+〖K_var〗^2
简单来讲，在上面的公式中，如果今天的KVAR的值为零的话，KVA就会与KW相等，那么供电局发出来的1KVA的电就等于用户1KW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制。目前就国内而言160千伏安以上的高压供电用户的功率因数标准是不能低于0.9，否则会受到惩罚性收费。
供电局为了提高自身成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对用户端有什么好处呢？
① 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件（如变压器、电器设备、导线等）的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。
② 藉由良好的功率因数，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。
③ 可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。
举例而言，将1000KVA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时：
补偿前有功功率：1000×0.8=800KW
补偿后有功功率：1000×0.98=980KW
同样一台1000KVA的变压器，功率因数改变后，它就可以多承担180KW的负载。
④ 减少了用户的电费支出；通过功率因数的提高减少惩罚性电费。
3、提升功率因数的原理
我们对纯电阻电路的理解比较多一些，这种电路的特点是电流和电压同相位，纯电阻不改变电流的相位。但是在纯电容电路中，电流是超前电压90°的；在纯电感电路中，电流滞后电压90°。日常接触的基本都是电阻和电感混合的负荷，这时电流都是呈现滞后电压的特性，电流InL滞后电压U，在负载端并联电容进行补偿，流经电容的电流Ic超前电压U角度是90°，这样总电流I就是Inl＋Ic的相量和，b图的I补偿后虽然依然滞后电压，但已经很接近了，这个就是我们需要的结果，c图的I补偿后已经超前电压，这是过补需要避免。
图一
4、中天门无功补偿的运行现状
中天门索道的无功补偿及滤波系统，总的投切容量为1350Kvar,共分为9组，每组容量为150Kvar,投切使用延时投切的方式。 投切依靠于传统的接触器的动作，当然用于投切电容器的专用接触器，它具有抑制电容的涌流作用，延时投切的目的在于防止接触器动作过于频繁的，而造成接触器损坏，更重要的是防备电容不停的投切导致供电系统震荡，这是很危险的。当电网的负荷呈感性时，如电动机、电焊机等负载，这时电网的电流滞后电压一个角度，当负载呈容性时，如过量的电容补偿，这时电网的电流超前电压一个角度。通过补偿装置的控制器检测系统的无功功率，来决定电容器的投切。当系统每相的无功功率大于12Kvar并保持10秒时投入一组无功补偿；当每项无功功率为低于﹣8Kvar并保持10秒时切除一组无功补偿。在自动投切时，全部9组无功补偿循环投入和切除，保证系统使用均匀，并有充分的放电时间。
中天门索道正常运行负载均衡的情况下，电枢电流是480A上下波动，这是无功补偿常常需要投入4组，大约在600Kvar，功率因数能够补偿调整到0.95以上，特别在设备低速运行时，发现补偿后的电流要降低40％左右，对降低线路损耗，提升变压器的工作效率是非常有帮助的。
二、消除谐波的滤波系统
1、电力系统谐波源的分类
谐波产生的原因:高次谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性,即所加的电压与产生的电流不成线性(正比)关系而造成的波形畸变。当电力系统向非线性设备及负荷供电时,这些设备或负荷在传递(如变压器)、变换(如交直流换流器)、吸收(如电弧炉)供电系统发电机所供给的基波能量的同时,又把部分基波能量转换为谐波能量,向供电系统倒送大量的高次谐波,使电力系统的正弦波形畸变,电能质量降低。
当前,电力系统的谐波源主要有三大类。
1)、铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器、电抗器等,其铁磁饱和特性呈现非线性。
2)、电子开关型:主要为各种交直流换流装置(整流器、逆变器)以及双向晶闸管可控开关设备等,在化工、冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用,并正在蓬勃发展;在系统内部,如直流输电中的整流阀和逆变阀等。
3)、电弧型:各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间,其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性,使电流不规则的波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。对于电力系统三相供电来说,有三相平衡和三相不平衡的非线性特性。后者,如电气铁道、电弧炉以及由低压供电的单相家用电器等,而电气铁道是当前中压供电系统中典型的三相不平衡谐波源。
2、谐波的危害
谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振和串联谐振，使谐波电流放大几倍甚至几十倍，造成过电流，引起电容器、与电容器相连的电抗器、电阻器的损坏，甚至引起严重事故。
谐波会导致继电保护和自动装置的误动作、熔丝非正常熔断，同时也会导致电气测量仪表计量不准确。
谐波会造成变压器、电动机等机械振动，噪声、温升显著增加，绝缘寿命缩短。
谐波能延缓电弧熄灭，造成事故扩大。
谐波导致三相四线系统中的中线电流显著增大，引发系统故障甚至事故。
谐波电流使电力系统中的元件产生了附加的谐波损坏，降低了发电、输电、用电的使用效率。
谐波影响各种电气设备的正常工作，据统计，由于谐波而破坏的电气设备中，并联电容器约占70％，串联电抗器占30％。
限制电网谐波的主要措施有:增加换流装置的脉动数;加装交流滤波器、有源电力滤波器;加强谐波管理。
3、中天门索道谐波产生的原因和类型
中天门索道的面临的谐波，主要是ABB的DSC500型可控硅整流器的晶闸管开关时产生的，它产生的次数和晶闸管换流装置的脉动次数成正相关，因为其脉动次数为6次，故谐波次数为6n±1次，从而产生5次、7次、11次、13次谐波，其中主要是5次和7次谐波，特别是5次谐波最多，能力最大。至于3次谐波主要产生在低压配电网中，以建筑系统最为严重，在三相对对称的电网中，3次谐波仅存在于相电压，线电压中不存在3次谐波，以中天门索道现有供电形式下不用考虑它，只需重点考虑5次谐波。
4、无功补偿为何必须同滤波结合起来。
大功率可控硅整流器产生的谐波中，以五次谐波为主，如果不进行滤波，只是单纯的进行无功补偿，这些谐波将被补偿装置放大，电容器组和主回路在特定谐波下，很容易形成并联谐振，使线路上的电压、电流畸变率增大，还可能造成设备损坏。在这种情况下单纯的补偿装置是无法使用的。最好的解决方法就是电容器组串联电抗器来组成无功补偿及谐波滤波器。滤波器的设计关键是在工频情况下呈容性，对线路进行无功补偿；对谐波时呈现感性，以吸收部分谐波电流，改善线路的畸变率。确定好感抗和容抗的比值，确保不会出现串联谐振和并联谐振。只是增加电抗器后，要考虑电容端电压升高的问题。
5、LC滤波工作原理
谐波滤波器的原理就是为谐波电流提供一个低阻抗通道，使谐波电流通过滤波器形成回路，而不流入电网，可以通俗的理解为让谐波短路。LC滤波器也称为无源滤波器，即不需要额外提供电源。一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，起到滤波和无功补偿作用。滤波电路的原理实际是L、c元件基本特性的组合利用，把电容、电感进行串联、并联或混联应用，它们组合的阻抗也会随信号频率不同而发生大小趋势不同的变化，不同滤波电路会对某种频率信号呈现很小或很大的阻抗，达到能让该频率信号顺利通过或阻碍它通过的目的。我们知道：电抗的感抗Xl与频率f成正比；电容的容抗Xc与频率f成反比。
6、中天门索道滤波情况现状
中天门索道的无功补偿和滤波系统的技术参数：
电容个数：54个 单个电容大小：497.4μF，两组电容先并联再与一组电感串联。
电感器数：27个 单个电感大小：0.44mH
将数值带入公式计算可得在基波时XL=0.138Ω，XC=3.2Ω，电路针对基波呈现容性，可对其进行无功补偿，总电抗为3.2-0.138=3.06Ω。
继续以我们设备为例，分析谐波中占比和能量都是最大的5次谐波，在这种LC滤波器中的特性：
X5c=1/2π5fc=Xc/5 X5c=0.64Ω
X5L=2π5fL=5XL X5L=0.69Ω
也就是说，此时5次谐波的容抗仅为基波容抗的五分之一，而感抗是基波时的5倍，感抗和容抗由在基波时绝对值相差很大变为很接近了，而且相互间相位相反，总的电抗就更小了，总电抗为0.69-0.64=0.05Ω几乎等效于纯电阻电路，此时就形成了对5次谐波的一个低阻通道，使其通过此处而得到大量快速的释放，从而将5次谐波从主回路中过滤出去。
这是在7次谐波时滤波电路体现出的感抗和容抗。
X7c=1/2π7fc=Xc/7 X7c=0.457Ω
X7L=2π7L=7XL X7L=0.966Ω
可以发现相比5次谐波时感抗继续增大，容抗继续降低，整的滤波电路呈现感性，总电抗为0.966-0.457=0.509Ω，虽然相对5次谐波阻抗变大了些，但是相对于基波电抗还是降低了很多，这样7次谐波也会有很大一部分在此处得到释放，从主回路中将其过滤掉。这样也就明白，我们的滤波回路设计就是针对5次谐波的，在将几乎全部5次谐波过滤掉，同时也就大部分7次谐波过滤掉。
通过计算可知，现在使用的滤波补偿系统，在基波的情况下XL=4.31％XC，相对于2015年前使用的滤波系统XL=4.8％XC，更加利于5次谐波的释放，更适合5次谐波含量较大的电路。新设备调整后对5次谐波释放得更加充分，对电容和接触器的损伤更少，器件更显耐用了。
三、结束语
在深刻理解滤波补偿系统工作原理后，知道如果只是为了无功补偿，有电容器就可以了，不需要串联电抗器；如果只是为了合闸时减少冲击，只需要串联XL=1％XC的电感器就可以；如果要消除某次谐波，就需要为此谐波制造一个低阻抗的通道；次数越低的谐波往往蕴含的能量越大，对基波的影响也越大；滤波电路对其要过滤掉的谐波要呈现感性，避免出现串联谐振和并联谐振。通过理论的掌握，对滤波补偿系统的运行更加清楚，知道了其薄弱点所在，今后要加强对电容、投切接触器等器件的检查，防微杜渐，保障设备安全。同时在明白谐波对设备的危害后，要定期检查滤波的效果，发现问题和隐患及时解决，确保索道用电安全可靠。
