第5章无源电力滤波器设计及应用实例

RL
等值参数计算公式如下：
R
=
U
2 N
P
（5-4）
XL2 XL1
X L1h = 0.073Rh
（5-5）
图5-6 其他负荷等值电路
XBaidu NhomakorabeaL2h
=
hR (6.7tgϕ − 0.74)
（5-6）
tgϕ = Q / P 。
（5-7）
4．供电线路 由于为煤矿供电的输电线路较短，架空供电线路可采用电阻和电抗串联的等效阻抗形 式。按一般架空线安装规范，架空线电抗可按每千米0.4欧姆计算，导线电阻按下式计算[3]：
r = ρ/S
（5-8）
式中： ρ —电阻率（Ω），铜导线为18.8 mm 2 / km , 铝导线为31.5 mm 2 / km
S—架空线标称截面积（ mm 2 ）。
因此，架空线路阻抗可用下式计算：
Z h = (r + jh × 0.4) × l
接线的整流变压器使二次电压移相 30 0 ，组成 12 脉动整流装置，使 5、7、17、19，…次谐
波在装置内部成对抵消，从而减小了注入系统的谐波电流。 比较 6 脉动和 12、18、24 脉动变流器在理想情况下产生的特征谐波电流，如表 5-1 所
示。
表 5-1 多脉动变流器产生的特征谐波电流 I h (%)
5.2 无源型滤波装置的构成
实际应用的无源滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波 器。无源滤波器分为单调谐滤波器、高通滤波器和双调谐滤波器等。
5.2.1 单调谐滤波器结构和特点
单调谐滤波器由电阻器、电抗器和电容器串联构成，其电路原理图如图5-1(a)所示。滤
波器对h次谐波（ ω h
通过综合频率特性分析了解影响的程度，当影响较大时，需要调整各滤波器的参数。在实际 设计中可能需要几个循环才能达到要求。
（2）校核滤波装置是否满足谐波抑制要求，如不满足，则需要修正滤波器参数直至达 到设计要求。
（3）对于满足设计要求的方案，还应对电容器进行过电压、过电流和容量平衡校验。 在上述设计步骤中可以利用计算机进行辅助计算和设计。
电力滤波装置分为无源型和有源型两种。由于煤矿电网中的主要谐波源为晶闸管变流调 速设备，目前一般采用无源型滤波装置，即由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的 滤波装置，运行中它和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要。由于它 结构简单、运行可靠、维护方便，因此得到了广泛的应用。
本章介绍增加换流装置脉动数消弱谐波的方法和无源滤波器的设计，并结合一个实例讨 论煤矿电网等效电路的建立，以及矿井提升机滤波器的设计方法。
（3） 经济指标，如投资、损耗等。
5.3.2 滤波装置设计的一般步骤
5.3.2.1 准备设计的原始资料 为了设计滤波装置参数，应首先了解和掌握以下资料[2]： ⑴ 供电系统主接线方式及设备参数（主变压器、电缆、限流电抗器等）； ⑵ 系统最大和最小短路容量； ⑶ 电网运行参数（电压、频率的变化、电压的不对称程度等）； ⑷ 系统的谐波水平； ⑸ 无功功率补偿的要求； ⑹ 上级供电系统及供电线路参数。 上述需掌握的资料中前3项可由煤矿供电部门提供。无功功率补偿的要求可根据原系统 并联电容器的容量确定。了解上级供电系统及供电线路参数是为了建立系统的电路模型。 目前，我国煤矿提升机的谐波治理大多是在已运行的系统上进行的，因此，上述参数中 系统的谐波水平可通过对被治理对象的供电系统进行实测得到。谐波测试数据是滤波器设计 的重要依据，因此测试工作要全面、细致。需要进行： ⑴提升机工作和提升机停止两种状态下的测试，以了解外部供电系统送入电能的质量和 提升机变流器产生谐波的程度。 ⑵提升机各种工况下的测试。因为提升机是周期运行的，每提升一次要经过加速、等速、 减速等阶段；同时由于每次提升的重量不同，会有轻载运行和重载运行之分，这样会导致变 流器产生的谐波存在着一定的差异。为了了解并联电容器对谐波的影响,还要在并联电容器 投入与退出两种状态下进行测试。 我们的做法是对变流器的电压电流用谐波分析仪测量，同时用磁带记录仪将多点的谐波 情况连续记录下来，再用数据处理机分析，以保证能全面观察和了解系统的谐波情况和变化 程度。 ⑶统计、记录24小时全矿负荷和提升机的用电情况。进行此项工作的目的是在建立系统 分析模型是计算除谐波源以外的其他负荷的等效参数。 2．滤波装置的方案确定 确定滤波装置的方案，主要是指确定用几组单调谐滤波器，是否装设高通滤波器，选取 高通滤波器的截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要求。 单调谐滤波器应根据谐波源大小及其所产生的主要特征谐波电流来考虑。对于整流性谐 波源，一般只设奇次滤波器。例如六相整流负荷可以设5次、7次、11次等单调谐滤波器。如 要滤除更高次的谐波，可以设一组高通滤波器。对于非特征的3次谐波是否要设滤波器，应 根据3次谐波电流的大小，以及装设其他滤波器后是否可能发生3次谐波谐振来决定。 使滤波装置满足无功补偿的要求，可以采用两种方法：一是根据滤波要求设计滤波装置， 如果其无功容量不满足要求，不足部分加装并联电容器；二是加大滤波器容量，使其满足无 功补偿的要求。 3．滤波装置参数的初步设计 初步确定各单调谐滤波器、高通滤波器中各元器件参数、容量等。具体的方法将在后面 介绍。 4．滤波装置参数的最后确定 单独设计好各个滤波器后，还需要进行以下几方面的计算和校核主要包括： （1）计算滤波器之间的相互影响。因为在滤波器参数初步设计时通常作一些假设，如 滤波器处于全谐振状态、各单调谐滤波器只通过基波电流和本次谐波电流等。因此，需要考 虑滤波器之间的相互影响，而且有时这种影响甚至会超过系统谐波阻抗对滤波器的影响。可
5．无源电力滤波器设计及应用实例
由于谐波对电网中几乎所有设备都会带来不良影响，因此，消除谐波是目前急需解决的 问题，国内外都在大力开展研究，基本方法有两种。一种方法是对电力电子装置本身进行改 进，使其不产生谐波或者少产生谐波，如常用的增加换流装置脉动数的方法；另外一种方法 是装设电力滤波装置，这对各种谐波源都是适用的。
（5-3）
X T1 —基波时变压器绕组电抗。
3．其他用电负荷
除去提升机变流器外矿上的其他负荷可采用图5-6所示的等值电路。
为了计算等效参数，需要统计未投入并联电
容器时全矿井24小时的有功电度和无功电度，从
中减去提升机的有功电度和无功电度，即为全矿其
他负荷的一天内的有功电度和无功电度，进而可以
计算出有功功率 P 和无功功率 Q 。
h
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
p=6 100 — 20 14.3 — 9.1 7.7 — 5.9 5.3 — 4.3 4
p=12 100 — — — — 9.1 7.7 — — — — 4.3 4
p=18 100 — — — — — — — 5.9 5.3 — — —
（a）一阶
（b）二阶
（c）三阶
（d）C型
图5-2 高通滤波器
一阶高通滤波器由于基波损耗太大，一般不采用；二阶高通滤波器的滤波效果最好，基
波损耗比一阶小比三阶大；三阶高通滤波器比二阶高通滤波器多一个电容 C2 ，C2 容量与 C1
相比很小，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减小基波损耗，这是三阶高通滤波 器的主要优点；C型滤波器是一种新型的高通型式，其滤波特性介于二阶与三阶之间，主要
5.4 供用电设备的谐波等值电路
在了解和掌握供电系统参数的基础上可建立其电路模型，以便在计算机上进行仿真分 析。煤矿常用电气设备的电路模型为：
1.下井电缆 电缆是煤矿供电系统电能传输的主要介质，为井下用电设备供电的下井电缆长度一般 累计在几十至上百千米。电压在10kV以下时，其对地电容电流可按下式计算：
p=24 100 — — — — — — — — — — 4.3 4
两组 6 脉动改造成 12 脉动变流器消除谐波的方法在技术、经济上都十分有效。脉动数 增加过多，虽然在理论上可以实现，但投资大，并不经济，而且由于设备及其运行情况不能 完全满足对称、平衡和等相位间隔等理想条件，多脉动变流装置还是会有非特征谐波产生。 煤矿提升机大多数为 12 脉动变流装置，有色金属冶炼多采用 24 脉动变流装置。
了谐波源产生的谐波电流。例如三相桥式全波整流装置，当它为六脉动整流时，交流侧电流
畸变波形中最低特征谐波次数为 5 次谐波，其值约为 I5 ≈ I1 / 5 = 20%I1 ，而采用 12 脉动
的双变流桥时，交流侧最低特征谐波次数为 11 次谐波，含量约为 I11 ≈ I1 /11 ≈ 9%I1 。
实际使用的变流器多为 12 脉动以上，如两个 6 脉动三相整流桥通过采用 Y, y12 和 Y,d11
图5-3 双调谐滤波器电路及阻抗频率特性
双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，减少了回路，基波损耗较小，只有一个电感 L1
承受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗，所以并 联电路所承受的工频电压比串联电路的低很多。这种滤波器结构比较复杂，调谐较困难，但 在高压大容量滤波装置中采用在技术经济上有一定的优越性。
5.3 滤波器设计要求和步骤
5.3.1 滤波器设计的要求
滤波器的设计应满足两个基本要求： 1．以最小的投资使谐波源注入系统的谐波减小到国家标准规定的允许水平。 2．满足基波无功补偿的要求。 在满足上面两个基本要求的前提下，滤波装置的设计涉及到以下一些指标： （1） 技术指标，包括滤波器构成、谐波电压、谐波电流、无功补偿容量； （2） 安全指标，包括电容器的过电压、过电流、容量平衡；
5.1 增加换流装置的脉动数
电力系统中大量的谐波源是交直流变流器，增加其脉动数对降低谐波源谐波电流含量最 为有效。变流器的特征谐波次数为
h = kp ± 1
式中：k—大于 1 的正整数； p—变流器的脉动数。
脉动数增加，则变流器注入电力系统特征谐波的起始最低次数增高，而谐波电流近似与
谐波次数成反比，即 I h ≈ I1 / h 。这样。一系列次数较低，成分较大的谐波得到消除，减少
= hω1 ）的阻抗为：
Zh
=
Rh
+
j(ωh L −
1 )
ωhC
=
Rh
+
j(hω1L −
1 )
hω1C
（5-1）
单调谐滤波器的阻抗频率特性如图5-1（b）所示, 它利用 R、L、C 串联谐振电路在谐
振点呈现低阻抗的原理，如将电路谐振点调谐到h次谐波上，此时 Z h = Rh ，Rh 为电阻R在h
次谐波下的阻值。由于R很小，h次谐波电流主要由R 分流，很少流入电网中。而对于其他 次谐波，滤波器呈现较大的阻抗，所以分流很小。因此，只要将滤波器的谐振频率设定为与 需要滤除的谐波频率一致，则该次谐波电流将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的 目的。
式中： Bch —h次谐波时电缆的电纳 h —谐波次数。
− jX ch
图5-4 电缆的等值电路 2．变压器 变压器采用电阻和电抗串联等值电路，如图5-5所示。
RTh
jX Th
图5-5 变压器的等值电路
ZTh = RTh + jX Th = hRT1 + jhX T1 式中： RT1 —基波时变压器绕组电阻；
（a）电路原理图
(b)阻抗频率特性
图5-1 单调谐滤波器电路及阻抗频率特性
5.2.2 高通滤波器结构和特点
高通滤波器(High Pass Filter -HPF)也称为减幅滤波器，它在高于某个频率之后很宽的频 带范围内呈低阻抗特性，用以吸收若干较高次的谐波。形式上可分为一阶、二阶、三阶和C 型等，电路形式如图5-2所示。
优点是 C2 与L对基波串联调谐，故电阻中基波损耗很小，但它对工频偏差及元件参数变化较
敏感。 上述四种高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器，C型高通滤波器也有较好的推
广应用价值。
5.2.3 双调谐滤波器结构和特点
双调谐滤波器电路如图5-3（a）所示，它有两个谐振频率，同时吸收这两个频率的谐波， 其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器的阻抗频率特性如图5-3（b）所示。
I = 95 + 2.84S ×U × L ×10−3 2200 + 6S
上式中：S—电缆截面积（ mm 2 ）
U—额定线电压（V） L—电缆长度（km） 电缆的等值电路如图5-4所示，每条电缆的对地容抗可用下式计算：
X ch
=
2200 + 6S (95 + 2.84S) × L × h
×103
（5-2）