谐波的分析及抑制

谐波的分析及抑制（精选10篇）

谐波的分析及抑制 第1篇

脉冲多普勒 (PD) 雷达[1]具有脉冲雷达的距离分辨力和连续波雷达的速度分辨力, 并以其卓越的杂波抑制性能受到世人瞩目, 在现代电子战中占有非常重要的地位, 现代的预警机雷达和机载火控雷达几乎无一例外地采用PD体制。数字储频 (DRFM) 具有相参复制能力, 结构简单、实现方便, 在对新体制雷达, 尤其是PD雷达的干扰中得到广泛的应用, 并且针对PD雷达形成了距离波门拖引、速度波门拖引等一系列干扰战术, 是对PD雷达的强有力威胁[2,3]。与此同时, PD雷达也形成了距离速度关联比较、多普勒旁瓣检测等一系列有效的识别DRFM干扰的措施。为了防止干扰被识别, 目前采用数字多普勒调制的先进的DRFM已经能够实现以脉冲为单位的距离速度波门联合拖引, 并且能够很容易地将多普勒调制的镜像压至30dB以下, 达到非常逼真的干扰效果[4,5]。不过实际上, 限于数字器件的水平, 数字延时往往存在ns量级的基本量化单位, 考虑实际目标的速度范围, 将导致以ms量级为单位的时延更新周期, 由此仍将导致在线性距离波门拖引 (可包含对应的固定速度波门拖引, 以达到距离速度波门联合拖引的效果) 中引入以时延更新频率为单位的较大的谐波分量, 使得PD雷达仍然可以通过类似于多普勒旁瓣检测的方式来识别这种干扰[6,7,8]。从频谱的角度分析这种“谐波效应”, 并且结合理论推导得出的抑制“谐波效应”的条件和现有器件的实际水平, 提出一种基于DAC取样时钟延迟的方法来有效改善DRFM的性能。

1 DRFM对PD雷达进行距离波门拖引输出信号的频谱分析[9]

1.1 脉冲多普勒雷达信号

PD雷达的发射信号是一列具有稳定相参特性的单载波的脉冲串, 可以用载波fc, 脉冲宽度τ, 重频周期Tr (或重复频率undefined几个参数来表征, 如式 (1) 所示:

x (t) =p (t) ·ej·2πfct (1)

其中, p (t) 是脉宽为τ, 重频周期为Tr的基带脉冲串, 表达式如式 (2) 所示:

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其中“*”表示卷积运算,

undefined

, 下文中pTβ (t) 将沿用类似定义。

1.2 DRFM距离波门拖引输出信号的频谱

图1给出了DRFM的功能结构框图。对PD雷达进行线性距离拖引时, DRFM输出信号xo (t) 可用式 (3) 表示, 其中c (t) 表示距离波门拖引中的时延控制项, fo=fc+fd, fd=fd0+fd1, 其中fd0表示DRFM干扰机与PD雷达本身的相对运动造成的多普勒频移, fd1表示速度波门拖引中的多普勒调制项。

实际中, 在一个PD雷达的相关处理间隔内, c (t) 往往远小于Tr, 从而可以对xo (t) 作如式 (4) 所示的近似:

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下面分析b (t) =e-j2πfoc (t) 的频谱。理论上, 对于线性距离波门拖引而言, c (t) 为一线性函数, 但实际上受到时延调整精度的限制, c (t) 实际表现为阶梯函数, 如图2所示。

其中, β为最小延时步进, Tβ为对应的延时步进周期, 相应的延时步进频率fβ如式 (5) 所示。

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式 (6) 给出了实际c (t) 情况下对b (t) 的分解表达。

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根据分解后的b (t) 的表达式, 其频谱B (f) 如式 (7) 所示。

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由式 (4) 可得出线性距离波门拖引情况下DRFM的输出信号的频谱, 如式 (8) 所示:

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两个冲击串的卷积, 相当于将B (f) 加权平移到间隔为fr的冲击串的每一根谱线的位置上, 加权值根据谱线的幅度来确定。也就是DRFM输出信号的频谱在fo+mfr附近将出现明显的以fβ为频率间隔的谐波, 这就是“谐波效应”。

2 “谐波效应”的特性分析

2.1 B (f) 的特性分析

由式 (7) 可知, 当Bfo为整数时, B (f) 退化为仅在f=0Hz时存在谱线的冲击函数, 一般情况下, 其幅度谱是一系列以fβ为频率间隔的冲击串, 包络是标准sinc函数undefined, 并且频谱的最高谱线位置不再为0Hz, 而是式 (9) 表示的fp, 其中[·]表示取整。

令undefined, 可以得到式 (10) 所示的B (f) 对应的幅度谱,

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仍然是以fβ为周期的冲击串, 各冲击的权值完全由η决定, 图3给出了各η值下, n∈[-16, 16]范围内各次谐波的权值大小 (以n=0时的值归一化) 。从图中可以看出, 在一定的谐波次数n下, 谐波的大小随η增大而增大, 到η=0.5时达到最大, 在该情况下, 要到16次谐波以外才小于30dB。

2.2 DRFM输出信号Xo (f) 的特性分析

由式 (8) 已经推知, Xo (f) 是频率间隔分别为fr, fβ的两个冲击串的卷积, 在不考虑噪声的情况下, 其频谱是一个可能存在参差的冲击串, 其中包含的频率成分 (相对于fo) 由fr, fβ, fp共同决定, 另外, 脉冲宽度τ也作为一个重要参数参与决定各频率成分的功率大小。当fp=0, 即-βfo+[βfo]=0时, B (f) 退化为单个冲击, 不会出现谐波现象。遗憾的是对于一个DRFM而言, 其β是确定的, 多普勒频率相对于载波频率来说完全可以忽略, -βfo+[βfo]=0是否成立仅仅由PD雷达的载波来确定, 而这是DRFM无法控制的。通常情况下, fp≠0, 下面根据fr, fβ的关系, 分情况来讨论:

①当fr>32fβ, 搬移到fo±fr和fo处的B (f) 的谐波不会出现明显交错, DRFM输出信号的频谱在fo附近呈现出明显的以fβ为间隔的谐波。

②当fβ

③当fβ=fr, 也就是在每个脉冲周期进行步进, 此时B (f) 的谐波恰好与fo±mfr处的谱峰重合, 在fo附近的谐波都将消失。

④当fβ>fr时, 搬移到fo±mfr处B (f) 的较大次的谐波将可能出现在fo处附近, 如果fβ<<1/τ, fo处附近仍然将表现出比较多的功率较大的交错性质的谐波, 随着fβ靠近1/τ, 大功率谐波将大大减少, 直到fβ>1/τ, 相对于主峰来说, fo处附近-30dB以上的谐波将基本不存在。

情况③给了一种可以控制的避免谐波现象出现的可能, 其前提是满足fβ=fr, 也就是每一个脉冲重复周期进行一次延时步进。情况④中也给出了一种压低谐波功率的可能, 条件是fβ>1/τ, 即延时步进周期不长于脉冲宽度。两个条件都要求较大的延时步进频率fβ, 并且情况④要求fβ的值比情况③还要大得多。

3 一种基于DAC取样时钟延迟的抑制“谐波效应”的DRFM硬件实现结构

实际上, 由式 (5) 可知, fβ与拖引速度νd和最小时延步进β有关, 在νd一定的情况下, fβ与最小延时步进β成反比, 表1给出了典型νd, β下fβ的值。在νd受到实际目标速度的可能范围的限制下, 要提高fβ, 关键是提高延时的调整精度。对于动辄100ns量级的脉冲宽度而言, 针对情况④, 要满足fβ>1/τ的要求, 需要1ps量级甚至更高精度的最小延时步进, 这几乎是难以达到的。

kHz

在通常的情况下, β在数ns量级, νd在数百米/秒, fβ的值往往远小于fr[10]。图5 (a) 给出了一种典型情况下仿真得到的DRFM线性距离波门拖引的干扰信号在fo附近 (±5kHz) 的频谱, 其中PD雷达载波fc=8.7GHz, 脉宽τ=1μs, 重频周期Tr=100μs (即fr=10kHz) , 拖引假目标相对于DRFM干扰机以νd=340m/s (声速) 的径向速度运动, DRFM延时最小步进β=4ns;图中采用的FFT频率分辨率为1Hz, 可以发现在fo附近存在一串频率间接为280Hz左右的谐波, 次高谱线和最高谱线的能量仅仅相差不到13dB, 高于-30dB的谐波谱线超过10根, 很容易被PD雷达通过旁瓣检测的方式识别出来。

为了有效地抑制“谐波效应”, 需要满足fβ=fr, 实际上给DRFM提出了两点要求, 一是要能够以脉冲为单位进行时延调整;二是要能够以重频周期为单位进行延时步进。随着数字化控制手段的提高, 尤其是具有实时控制能力的FPGA广泛应用于DRFM, 已经能够实现以脉冲为单位的时延调整要求, 而受到数字器件系统时钟的限制, 对时延的最小调整步进还限制在ns的水平, 对1GHz的系统时钟而言, 其最小延时步进也只能达到1ns, 而为了使得fβ能够适应绝大多数PD雷达的fr (标称100K) , 而拖引速度νd还在合理的范围内 (小于5倍声速) , 要求β的精度达到50ps量级, 这对于数字系统来说, 相当于20GHz的系统时钟, 显然难以满足。针对这种情况, 提出了如图4所示的DRFM的结构, 该结构将以系统时钟为单位的整周期时延与分数周期时延分开调整, 整周期延时仍然通过对取样数据的调整来完成, 具体通过以系统时钟驱动的寄存器构成的数据延迟线来实现;而分数周期的时延调整则通过对DAC的取样时钟控制来完成, 具体通过数控时钟延时器来实现, 目前已经大量商用的数控时钟延时器件可以支持对时钟信号进行以10ps为步进的时延调整, 调整范围达到10ns, 这将使DRFM的输出时延步进精度β达到10ps量级, 再配合基于单脉冲的时延调整策略, 就能够达到有效抑制“谐波效应”的效果, 从而大大减少DRFM干扰被PD雷达识别的概率。图5 (b) 给出了在这种架构下, 满足情况③, 即fβ=fr (β为10ps, 其余条件与图5 (a) 相同) 条件下仿真得到的DRFM干扰信号在fo附近 (5kHz) 的频谱, 验证了情况③下fo附近“谐波效应”消失的情况。

4 结束语

分析了目前DRFM对PD雷达进行线性距离波门拖引时可能引起的“谐波效应”, 归纳并通过仿真验证了有效抑制“谐波效应”的方法, 给出了一种基于DAC取样时钟延时的DRFM硬件实现方法, 使得DRFM的输出时延步进精度达到10ps量级, 从而有效抑制“谐波效应”, 使得DRFM在对PD雷达的干扰中达到更加逼真的效果。

参考文献

[1]Merrill I Skolnik.Radar handbook[M].Boston:McGraw-Hill, 1990.

[2]Schroer R.Electronic warfare[J].Aerospace and Electronic Systems, IEEE, 2003, 18 (7) :49-54.

[3] RoomeSJ. Digital radio frequency memoiy[j] .Electronics & Commu-nication Engineering Journal, 1990 (8) : 147 - 153.

[4]刘平, 鲍庆龙, 陈曾平.一种对抗PD雷达的假目标欺骗干扰机 设计[J].现代雷达, 2007, 29 (4) :9-16.

[5] Chen C-I H, George K, McCormick W, et al. Design and measurementof 2.5 gsps digital receiver[C]. IMTC'03. Proceedings of the 20thIEEE, May 2003:258-263.

[6] Berger S D.The spectrum of a digital radio frequency memory linearrange gate stealer electronic attack signal[C] .Proceedings of the 2001IEEE Radar Conference, Atlanta, GA, May 2001:27 - 30.

[7]Berger S D.Digital radio frequency memory linear range gate stealerspectrum[ j]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2003, 39 (2) :725-735.

[8] Maria Greco, Fulvio Gini, Alfonso Farina.Combined Effect of Phaseand RGPO Delay Quantization on Jamming Signal Spectrum[C].lEEERadar Conference, May 2005:37 - 42.

[9] Oppenheim A V, Schafer R W. Discrete Time Signal Processing[ M].New Jersey: Prentice Hall, 1999.

谐波的分析及抑制 第2篇

电力推进船舶电网谐波抑制方案的探讨

电力推进船舶电网的谐波问题日益突出和严重,简述了抑制谐波的思路和主要途径,探讨了船舶电网谐波抑制方案及相关技术,主要从高功率因数变流器、无源滤波器、有源电力滤波器3个方面进行讨论,其中包括多相整流技术、脉宽调制(PwM)整流技术和功率因数校正(PFc)技术,并给出了它们在船舶电力推进系统中的`应用案例.

作 者：宋艳琼 SONG Yan-qiong  作者单位：广州航海高等专科学校轮机系,广东,广州,510725 刊 名：广州航海高等专科学校学报 英文刊名：JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME COLLEGE 年，卷(期)： 17(2) 分类号：U665.12 关键词：电力推进船舶电网谐波   谐波抑制方案   高功率因数变流器   无源滤波器   有源电力滤波器  

电网谐波的危害及抑制技术 第3篇

关键词：电网； 谐波； 危害； 抑制技术

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2012）03-179-002

随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（Ｐower Ｑuality）受到人们的日益重视。例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成分。

国际电工委员会（IEC）已于1988年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“IEEE电子电气工程师协会”于1992年制定了谐波限定标准IEEE-1000。在IEEEstd.519-1992标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（THD）应在5％以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求THD应低于3％。

一、电网谐波的产生

1.电源本身谐波

由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。

2.由非线性负载所致

2.1非线性负载。谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。

2.2主要非线性负载装置

2.2.1开关电源的高次谐波

2.2.2变压器空载合闸涌流产生谐波

2.2.3单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰

2.2.4电压互感器铁磁谐振过电压

2.2.5整流器和逆变器产生的谐波电压、电流

2.2.6电弧炉运行引起电压波动

二、谐波的危害

1.污染公用电网

如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备（电视机、计算机等）无法正常工作，甚至会造成故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。

2.影响变压器工作

谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Y形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热。

3.影响继电保护的可靠性

如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。

4.加速金属化膜电容器老化

在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，而在谐波的长期作用下，金属化膜电容器会加速老化。

5.增加输电线路功耗

如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。

如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大10-20倍，而感抗仅为其1/3-1/2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。

6.增加旋转电机的损耗

国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的２％，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。

7.影响或干扰测量控制仪器、通讯系统工作

例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生3-10kHz高频噪声，会干扰电力载波通信的正常工作。

三、谐波抑制技术

1.整机电源需留有较大贮备量

为了使测量、控制装置能满足负载较大变化范围，因此在设计整机电源时，可给予较大贮备量，一般选取0.5-1倍余量；

2.对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电

因为测量、控制装置的许多干扰是由电源线串入的，因此在规划供电线路时，对干扰大的设备与测控装置采用不同相线供电。

3.将测量、控制装置的供电与动力装置的供电分开

因为动力装置的负荷变动大，测量、控制、微机及电视机的负荷小，动力装置产生的干扰大，供电电源分开后，测量、控制、微机及电视机的电源与动力装置的电源相互隔离，可以大大减少通过电源线的干扰。

4.其余抑制高次谐波的技术

4.1开关电源干扰的抑制技术。一般采用的办法是：电源滤波、屏蔽及减少开关电源本身干扰能量。

采用电源滤波器，电源滤波器可以阻止电网中的干扰进入开关电源，也可以阻止开关电源的干扰进入电网。

屏蔽技术可以有效地防止向外辐射干扰。

减少开关电源本身干扰，利用改善线圈绕制工艺，确保绕组之间紧密耦合，以减少变压器漏感。还可以在高频整流二极管上串入可饱和磁芯线圈，利用流过反向电流时，因磁芯不饱和而产生的较大电势阻止反向电流上升。

4.2变压器空载合闸涌流抑止方法。根据方程Φ1＝－Φmcos（ωt＋α）＝Φmsinωｔ，如果合闸时，α＝90（即U1＝U1Mm便合闸），则：

Φ１＝－Φmcos（ωt＋α）＝Φmsinωt没有暂态分量，合闸后磁通立即进入稳定状态，理论上可以避免冲击涌流过程。

4.3抑制单相电容器组开断瞬态过电压方法。如果采用选相断路器投切电容器，则可以消除或大大降低投切电容器产生的瞬态过电压，从而使接在母线上的电力电子调速系统可以稳定地工作，接在母线上的其余设备也可不受过电压干扰的影响。

4.4抑制电压互感器铁磁谐振方法。其方法是要使它脱离谐振区，采用中性点不接地的电压互感器或采用电容分压器可以从根本上避免铁磁谐振。

4.5抑止整流和逆变产生的谐波。

4.5.1在变频器前加装电源滤波器。

一种成本比较低的方法是在电源侧加装三只680μf 250VAC的电容，（分别接在L-N上）这种方法可使电磁干扰电流降至原来的1/10，效果较明显。

4.5.2变频器的电源电缆采用屏蔽电缆，屏蔽电缆穿铁管并接地，输出电缆也穿铁管并接地，屏蔽层应在接变频器处和电机处两端都接地。

4.6抑止电弧炉运行时的干扰。在合适地段加入电容补偿装置，补偿无功波动；可以重新安排供电系统。

四、结束语

随着非线性电力设备的广泛应用，电力系统中谐波问题越来越严重，一方面造成了电力设备的损坏，加速绝缘老化；另一方面也影响了计算机、电视系统等电子设备正常工作，直接扰乱了人们的正常生活。

谐波问题涉及供电部门、电力用户和设备制造商，谐波问题已引起人们的高度重视。应合理规划电网，电力电子设备（特别一次设备）应符合电磁发射水平，电子设备、电子仪器应满足电磁兼容性要求。

参考文献：

［1］郎维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策，高电压技术，2002.6

［2］孙书敏.治理谐波危害、抑制电网污染、提高电源质量，2002年（江苏）工程电气设计学术论文集

［3］IEC 61000-3-2.1995,.EMC part3-2Limits for harmonic current dmissi

谐波的分析及抑制 第4篇

1 并联电容器和谐波的相互影响

1.1 谐波对并联电容器的影响

谐波电流会引起电容器过热, 降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。谐波电压会使电压峰值大大增加, 使电容器运行中发生的局部放电不能消除, 从而造成电容器保险熔断拉弧, 损坏电容器。

1.2 并联电容器对谐波的影响

电容器对谐波电流的放大作用, 不仅危害电容器本身, 而且还会危害电网及其他设备的安全运行。

2 等值电路及分析

电力系统谐波电流可视为恒流源, 其主要特征是外阻抗发生变化时电流值不变。

设系统的短路电抗为Xs, 忽略电阻分量, 其n次谐波电抗为nXs;设串联电抗器的基波电抗为XL, 则其n次谐波电抗为nXL;设并联电容器的基波电抗为Xc, 则其n次谐波电抗为Xc/n;其简化等值电路如图1所示。

通常系统Rsn<

图1 (a) 中:

In:电流源的n次谐波电流;

Isn:流入系统的n次谐波电流;

Icn:流入电容器的n次谐波电流。

设系数β= (nXL—Xc/n) nXs, 则有:

β取值时, 系统和电容器支路的谐波电流分析如表1所示。

当-2<β<-0.5, 谐振电流被严重放大, 因此, 应避免有谐波源的谐波次数处于该区域。

3 电抗器参数的选择

串联电抗器是并联电容装置的主要组成部分之一, 它起着限制电容器组合闸涌流、抑制电力谐波、防止电容器遭受损害, 以及避免电容装置接入对电网谐波的过度放大而发生谐振等重要作用。

目前, 我国电网的集中无功补偿装置一般装设在110kV及以上变电所, 基本上采用串联电抗率6%的电抗器设计模式。当系统仅含5次谐波时, 此模式无疑是正确的。然而, 运行经验和测试数据表明, 电力系统中不仅存在5次谐波, 而且大量存在3次谐波, 若无功补偿电容器一律配用电抗率为6%的串联电抗器, 极可能会引起3次谐波的放大甚至发生谐振。因此, 在无功补偿电容器的谐波抑制方面, 不仅要重视5次谐波的影响, 而且要重视3次谐波普遍存在的客观现实。因此, 电抗器参数的选择, 应按照运行状况选择。最好, 投运前进行谐波测试, 以准确选择电抗器的参数。

(1) 当系统中3次谐波含量已超过或接近于标准限值时, 宜选用串联12%~13%的电抗器;

(2) 当系统中5次谐波含量已超过或接近于标准限值时, 宜选用串联4.5%~6%的电抗器;

(3) 当系统中背景谐波以3次、5次成分为主、且两者含量均较大时, 宜采用电抗率为12%~13%与4.5%~6%的电抗器混装方式, 或采用串联3%左右的电抗器;

(4) 当系统中背景谐波以3次、5次为主、且含量较小时, 可不串接电抗器;

(5) 对于新建的输变电工程, 可选用阻尼式限流器, 限流器中串联电抗器的额定电流按电容器组的最终容量考虑选择。

4 结束语

在抑制电力系统谐波的实践过程中, 除了抑制5次谐波以外, 还要高度重视3次谐波的存在及其影响, 尤其要特别注意防止大容量电容装置对3次谐波的严重放大与发生谐振。

供电系统的无功补偿与谐波抑制分析 第5篇

【关键词】无功补偿；谐波抑制；方法

随着科学技术的快速发展，尤其是在微电子和计算机方面的发展，并带动了以此为基础的自动化系统的不断完善，同时对供电系统的进一步发展提出了新的要求。不仅要求供电系统拥有更高的可靠性，对电源的质量也提出了新的要求，所以无功补偿与谐波抑制的作用就显得尤为重要。

1.供电系统的无功补偿与谐波抑制的提出

供电系统的无功补偿与谐波抑制的提出主要是针对供电系统中出现的无功功率和谐波的问题。前人主要研究供电的可靠性，以确保供电的持续性，在主要工程的供电系统中，采用公用电网连接和双回路置内部备用电站以及设置内部备用电站等。但是由于科技的进步，尤其是计算机技术和微电子技術的进步，在供电方面的要求也更进一步，为满足这些更高的要求在系统中添加了一些特定的装置，然而这些装置在提供更强保护的同时却反过来影响了供电的质量，其不但要产生大量的谐波电流，还会消耗很多的无功功率，从而造成浪费。

再者，由于以前的工程中安装的电子设备较少，一些谐波产生的影响不明显，所以没有安装消除谐波的装置，而现阶段的工程已经具有越来越多的电子装置，从而谐波的的问题也越来越明显，引发了更严重的供电需求难以满足的问题。而且生产过程中产生的谐波，入侵工程内部的供电系统，并可能对一些电子设备造成损害。为了解决这一矛盾需求所引发的问题，进一步提高电源的质量，同时由于多数的变流器负载呈感性，其和负载的运行对无功功率的要求很是必要，而且电子装置所产生的谐波污染对用户和供电系统产生了很大的影响，因此无功补偿与谐波抑制的提出和研究就显得尤为重要。

2.供电系统的无功补偿与谐波抑制的方法

上文已经对无功补偿与谐波抑制的提出做了一定的阐述，了解到无功功率和谐波产生的原因和一些危害，为了进一步适应社会的发展，尽可能减小这些危害，并提高效率，以下将分别对无功补偿和谐波抑制的方法和它们的一些优缺点进行论述。

2.1无功补偿

在大多数的供电系统中，由于阻感型负载所占的大比例，最终的等效负载呈感性，从而在系统的负载运行中进行无功功率的补偿非常重要，但是所需要的这些无功功率必须有一定的来源方向。如果仅仅依靠发电机来提供，就需要有一个较长的运输距离，这样做的结果必定会造成用电系统的一定的效率损失，在产生损失的同时，大量无功电流还会对电路造成一定程度的损害，使电网的负担加重，这样做的后果不仅降低电能的利用率，还会降低运输电能的能力，造成供电的质量的下降。

对供电系统的无功补偿有很多方法，但大多还是采用并联电容器补偿无功功率。当开始进行供电时，为了对无功和电压进行自动调节，都装有自动励磁调压。

由于电容器的不同安装位置，并联电容器补偿有三种不同的方式，分别是把电容器集中安装在母线上，分区补偿和就地补偿。集中安装在母线上的方式可以使整个变电所的功率因数大大提高，同时还能减少进线线路的无功损耗。而分区补偿是将电容器组装在分区的母线上，这些母线的功率因数都是比较低的，这样提高了补偿效果但是补偿的范围不如集中安装在母线上的范围大。就地补偿是将电容器组或者电容器组装在负载设备的周围，从而进行就地补偿，这种方式主要是应用在感性设备上，这样不仅可以提高供电设备的功率因数，还起到提高供电设备电压质量的作用，但是这样做会造成由于安装分散的原因，增加很大的维护工作。

现阶段，集中补偿的使用范围比较广泛，这样使线路的电压损耗得到减少，不过随着电容器的发展，我们可以尽可能根据工作中的实际情况来采取最合适的方式，使分区补偿和就地补偿得到更广泛的应用，从而使补偿的效果进一步得到提升。

2.2谐波抑制

供电系统谐波的抑制方法有两种，一种是通过滤波的方式，本质上就是释放谐波，这样做可以在使谐波短路得情况下，基波安全保留。主要是采用无源LC滤波器和有源电力滤波器。另一种是通过对谐波源进行改造，这点可以通过变流器相数的提高和采用高功率因数整流器等做到。现阶段，在实际的工程上对无源LC滤波器的使用比较广泛，它的花费少，稳定性高，且简单易懂。

3.国内外供电系统的无功补偿与谐波抑制的发展

目前采用的无功补偿方法，即利用电容器进行补偿，由于这种方法本身的缺点，以静态补偿的方式来应对动态的变化的局限性，已经越来越难以满足供电系统的日新月异的发展了。新的阶段，对动态补偿的要求也越来越急迫，尤其在战争中，利用电容器进行无功补偿的缺点是非常容易被作为敌人攻击的漏洞之处。

未来对动态的无功补偿的研究将变得越来越重要，可喜的是先阶段国内外已经取得了很大的进步，出现了应对动态变化的装置。例如静止无功发生器（SVG），就是在电网上并联上自换相桥式电路（或者通过并联电网和电抗器），通过对输出的电压相位、幅值等的改变，满足无功动态补偿的要求。如今美国和日本在这方面已经开始进行实际应用了，以此看出未来的发展必是对无功动态补偿领域的研究。

同时现阶段对谐波的抑制也同样达不到发展的要求。尽管无源LC滤波器有很多的优点，但是在调节性方面差强人意，而且在补偿方面很容易受到电网阻抗和进行状态的干扰，和所在系统产生并联谐振，导致谐波进一步加大，超出滤波器的承载范围，严重时会烧毁机器，所以产生的效果并不理想。

如今，有源电力滤波器的发展出现在我们的视野之内，并使对以上的缺点的改善有了希望。有源电力滤波器可以随时对电网中的电压和电流进行测量，并根据内部程序的运行得到相应的补偿指令，从而使主电路中产生一定的谐波补偿电流，来对抗电网中在运行中产生的谐波电流，以达到抵消谐波的目的，实现智能滤波。有源电力滤波器在实现滤波的情况下，还可以进行无功动态补偿，它是目前为止这一领域内的一个重要的研究。

4.总结

由于现阶段供电系统的无功补偿与谐波抑制的方法在实际的工程使用中都存在这样或那样的优点或者缺点，但在以后的改进中，应该吸取每一个方法的优点，改进缺点，提高无功补偿与谐波抑制产生的效果。在以后的开发研究中要尽量保持与时俱进，贴合现有的技术发展水平，使其与工程相适应。 [科]

【参考文献】

[1]卫学武，王曾，胡治国等.SVG在义翔铝业供电系统无功补偿中应用[J].科技视界，2013，（27）：312-313.

[2]王哲，何进.地铁供电系统谐波抑制与无功补偿[J].建筑电气，2014，（8）：46-49.

谐波的分析及抑制 第6篇

关键词：谐波,危害,滤波器

0 引言

随着非线性电力设备的广阔使用, 谐波问题在电力体系中愈来愈严重, 谐波不但把输配电与用户电力设备的正常应用影响了, 还导致了用户增加无功功率电费的支出, 并且也出现了对其它设备元件的危害。

1 谐波的产生

(1) 谐波产生的原因分析。因为电源自身电动势的偏移与非线性负载造成的是谐波产生的根本原因。当流经负载的电流时, 电压和所加的不呈线性关系, 电流就变化成非正弦, 这样谐波就产生了。基波式分量为I/T的频率, 整倍数的基波频率是谐波频率, 依据傅立叶解析道理分析, 全部重复的波形能够分解为内藏有基波频率以及一连串的基波倍数的谐波正弦波分量。谐波能够分开为偶次和奇次性, 奇次谐波的编号为第3、5、7次, 而为偶次谐波的是2、4, 6、8等, 如为50Hz时的基波, 为100HZ的2次谐波, 谐波150Hz则是3次。在三相系统平衡中, 谐波由于是对称性关系, 谐波已经没有了偶次, 谐波只有奇次。对于整流负载的三相, 6n±1次谐波是出现的谐波电流, 像5、7, 11、13、17、19等。 (2) 产生谐波源的主要设备。在日常生产活动中产生谐波的主要设备有:变速传动传动装置如变频器、晶闸管控制设备、固定式换流器如UPS、电弧炉、中频炉电影、电弧机、大型建筑物的照明设备、饱和电抗器等。

2 由谐波所引起的危害

(1) 危害电力电网的因素:进入电网的谐波电流后, 引发电网的电压变形, 让电能质量变差与挥霍电网的容量。 (2) 危害电力电容器的因素:在电容器基波电压上重叠的谐波电压, 不但把电容器运行电压的有效值增加了, 还也许大大的增加峰值电压, 造成电容器在运作中产生的部分放电不能熄灭, 而这一般是电容器损坏的一个非常主要的因素。当非正弦的是电容器的端电压时, 电容器介质中出现的附加有功损耗就是出现的额外发热, 电容器的运行温度让这些热量升高了。当畸变的电压波形时, 在介质中诱导出现部分放电的是尖顶电压波, 加上电压的有比较大的变化率, 部分放电就有很大的强度, 绝缘介质的老化速度就更加加剧了, 降低了电容器的运用时间也, 间接大大的缩短了电动机、变压器等电力设备的运用寿命, 供电的可靠性降低了, 很容易给生产经过导致严重后果。 (3) 危害电力变压器的原因:在供电变压器三相四线中, 谐波代数叠加的是三次整数倍的, 变压器感应到一次侧, 造成线圈太热, 同时让中线电流太大, 发热, 甚至烧坏。在电机运行经过中, 让交流电压波形严重失真的是谐波, 电机烧坏。变压器的铁耗还让谐波还加大了, 铁心中的磁滞损耗增加是这主要的体现, 谐波让电压的波形变得非常的差, 磁滞损耗就更大。 (4) 危害弱电体系设备的因素:经过磁场耦合的是电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流, 不但在相邻电力线的通信线路中会出现干扰电压, 干扰通信体系的工作, 通信线路通话的清楚度被影响了, 并且在谐波与基波的一起功能下, 电话铃响会触发, 甚至在一些严重的状况下, 还会威胁通信设备和人员的安全。

3 怎样抑制谐波

3.1 谐波的波源减少

(1) 经过把整流器脉动数增加, 因为在电路中整流器广泛使用, 它也是谐波关键来源之一, n=Kp±1是它的特点频谱, 所以便能知正比关系的是p与n, 一个加大另外的一个也会跟着加大。而In≈I1/n, 因此会减少谐波电流, 也就把谐波减少了。 (2) 使用脉宽调制办法。运用PWM, 在频率所设定的周期内, 把电流电压调成等幅但不等宽的一连串交流输出电压脉冲这样来达到抑制谐波。 (3) 连线方式在三相整流变压器处使用Y-d (Y/△) 或运用D、Y (△/Y) 。能够有效清除三的倍数次谐波, 这也是最常运用抑制谐波的方法。想要加大体系里的短路容量就要运用上面的办法, 有效的把供电电压等级提升, 并变流装置增加脉动数, 同时三相负荷平衡尽量保持, 避免每一类电磁体系饱和, 避让体系谐振点。

3.2 经过在谐波源处吸收谐波

在谐波源处吸收谐波电流运用电力滤波设备, 是能够有效抑制谐波。这装置又分为有源滤波器与无源滤波器2种。关键安装在设备交流侧的是无源滤波器, 像LC回路频率和电路中谐波电流频率一样时, 就可以防止流入电网。所以, 有效抑制谐波与完善波形主动办法的是设置交流滤波器, 同时滤波器还可以向体系提供所需的局部或所有无功。

整流器、逆变器等非线性负荷, 由于其自身能够表示为出现高次谐波电流的恒流源, 故能用图1来表示高次谐波的等效电路。

流向电网的谐波电流IS与母线的谐波电压VB能表示为:

式中:注入电网的谐波电流的是IS;

谐波电流为In;

谐波电压为VB;

电网阻抗为ZS;

电网负载阻抗为ZL。

这式说明, 当电网阻抗 (ZS) 必然时, 体系负载阻抗 (ZL) 相对减小, 就能够把流向电网的谐波电流与母线的谐波电压 (电压畸变) 减小。

4 结语

中国深入开展的电能质量治理工作, 谐波污染要消除, 使用有力的抑制谐波的办法, 把谐波侵入电网减小, 从而真正把因为谐波污染带来的巨大经济损失减少。有效解决谐波问题, 意味着国内电力建设有了全新跨越性进步, 是中国将来科技进步和电力发展的优秀开端。

参考文献

[1]郎文川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术, 2002 (06) .

抑制谐波畸变的措施分析 第7篇

关键词：谐波,继电器,保护

1 谐波的产生

谐波是一个周期电气量的正弦波分量, 其频率为基波频率的整数倍。

1.1 高次谐波的产生随着工业技术的迅猛发展, 电力系统中的

非线性负荷明显增多, 因而高次谐波的危害问题也日益突出, 其中包括: (1) 各种阀型换流设备 (如电气化铁道机车) 。西北某地几个带有牵引负荷出线的变电站, 进行了谐波分量及负序分量的现场测试, 结果表明安康电网由电气机车负荷产生的三、五次谐波电流含量超标。 (2) 耗用电弧能的设备 (电弧炼钢炉和电焊设备等) 。 (3) 铁磁性设备 (电力变压器、电抗器等) 。 (4) 其它 (电解设备和某些家用电器等) 。

1.2 高次谐波的主要危害 (1) 加强绝缘劣化, 缩短电气设备寿命。

(2) 增加维修工作量。 (3) 增多电网损耗。 (4) 产生干扰使保护及自动装置误动。 (5) 使计量器件产生误差。 (6) 对无线电通讯系统造成干扰。

2 谐波的影响

2.1 继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件

使得继电保护和自动装置受到谐波严重影响的条件可以列出以下七条, 其中第1和第2条之一是必须具备的。 (1) 在电气距离上接近大的谐波源。 (2) 安装地点存在谐波严重放大或接近谐波谐振条件。 (3) 装置的动作整定值很小, 例如接在差动电路、零序电路或负序电路上。 (4) 装置的元件或动作原理对谐波敏感, 例如采用晶体管继电器、半波比相判断的方式、依靠检出过零点等等。 (5) 谐波损伤了装置的某个部分, 例如使动作接点粘连, 导致误动。 (6) 安装地点的短路容量太小, 例如在海上油井平台上、自备机组成孤立网运行等。 (7) 尚有不平衡负荷或涌流的基波负序电流, 并且和谐波电流同时发生。

2.2 高次谐波对各种类型继电保护的影响:

2.2.1 谐波对电磁继电器的影响 (1) DL-11型电流继电器是常

用的电流保护元件, 在不同频率下其动作是反映通入电流有效值的平方, 经试验, 在不同频率下DL-11电流继电器, 动作电流时误差很小。显然, 当继电器的电流含有谐波时, 按基波整定的电磁型继电器在谐波作用下也能启动。 (2) 电磁型电压继电器的动作还与流过其线圈的电流有效值平方成比例。线圈匝数很多, 阻抗分量很大, 其阻抗看作为R+jωL。因对不同频率而言, ωL也不同, 高次谐波使动作值增大的原因是线圈阻抗增大。当含有谐波的电压接入继电器时, 动作值误差一般为正误差, 低压继电器这时很容易动作。电磁型继电器的动作速度较慢, 对定值误差也要求不高, 在谐波含量小于10%时, 谐波对其影响不太大。但是, 在谐波含量很大并且各次谐波衰减又较慢的场合, 电磁型继电器误动也会造成大的系统事故。

2.2.2 谐波对整流型继电器的影响整流型距离保护装置 (如

LH-21型) 的振荡闭锁经常动作, 产生这些现象的原因是利用负序滤波器将三相电流转变为单相电流 (正比于负序电流) , 该滤序器由接在一相内的电流互感器和接在两相内的电抗互感器构成。当系统电流中含有谐波, 并且三相谐波并不相等也不对称时, 负序滤波器就有很大的谐波输出, 加之裂相回路对谐波的进一步放大作用, 使整流出的直流脉动很大, 因而使保护误启动。

2.2.3 谐波对计算机产生影响的可能途径有二: (1) 电源供给系统; (2) 计算机的模拟量输入回路。

当模拟量的输入回路含有谐波时, 将影响计算机的正常工作, 所以在测量和控制用的计算机系统均毫无例外地在A/D转换器前装设模拟式低通滤波器, 以抑制谐波, 增加有用信号与干扰信号之比。

2.2.4 谐波对距离保护的影响距离保护装置中的测距元件, 通常按线路的基波阻抗整定。

在故障情况下, 当有谐波电流时 (特别是三次谐波) , 所测的阻抗相对于基波阻抗值可能会有相当大的误差。因而当故障电流流经高阻性的阻抗接地时, 接地阻抗将是主要的。如果电流中谐波分量较大, 应采取滤波措施, 否则造成继电器误动的可能性很大。通过试验, 谐波含量在5%以下, 则谐波对继电器的影响不大。

2.2.5 谐波会引起故障录波器误启动、频率仪测试不准, 准同期装置合闸误差角超过允许值等自动装置的误动。

3 抑制谐波畸变的措施分析

评价保护继电器性能时通常使用三个指标:灵敏度、选择性、速动性。导致这些性能恶化的主要原因之一, 就是输入电流和电压的波形产生畸变。

3.1 继电器保护采取抑制谐波畸变的一般措施

3.1.1 采用按基波动作的回路。

采用滤波器是将直流分量和高次谐波分量滤掉, 剩下的基波分量在检测回路里进行检测。 (1) 使用共振型电流互感器的带通滤波器。 (2) 使用运算放大器的带通滤波器, 由于它具有体积小和精确度高的优点, 现在已广泛使用。

3.1.2 使用限时回路。

3.1.3 检测畸变波形的正负非对称性。

3.2 谐波的运用

3.2.1 变压器差动保护利用二次谐波。

变压器励涌流中的高次谐波成分很大, 并以二次谐波为主。所以开发了具有利用二次谐波制动的变压器差动继电器, 二次谐波越大, 继电器的制动特性越强, 故可防止励磁涌流引起的误动作。

3.2.2 利用三次谐波电压构成100%定子接地保护。

利用三次谐波电势构成的定子接地保护, 用以消除基波零序电压元件保护不到的死区。

4 微机保护采用抑制谐波的措施

微机保护借助硬件 (有源滤波器) 和软件 (数字滤波器) , 清除了电力系统直流分量和高次谐波分量的数据, 可进行高精度的各种保护运算。

数字滤波用软件实现, 因此不受外界环境 (如温度) 的影响, 可靠性高, 具有高度的规范性。它不像模拟滤波器那样会因元件的差异而影响滤波效果, 也不存在元件老化和负载阻抗匹配问题。另外, 数字滤波器还具有高度的灵活性, 当需要改变滤波器的性能时, 只需重新编程即可。

4.1 微机保护的基本构成微机保护从系统引入电流和电压二

次, 借助内装的中间变换器, 将它们转换为适合于用电子回路进行处理的大小, 接着用滤波器使输入电流和电压里的谐波分量和直流分量衰减, 再在模数转换部分进行模/数转换。然后在数字运算处理部分用数字化的数据进行保护运算, 最后向外部输出信号。

4.2 数字信号的处理系统先把模拟信号变换为数字信号, 然后用数字技术进行处理, 最后再还原成模拟信号。

5 小结

抑制谐波的真实物理意义是将谐波具有的能量尽可能的用一个装置吸收, 不让谐波进入系统或只有很少量的进入系统。最好在谐波源就地安装滤波装置, 以减少谐波对电网的影响。

电网中应合理利用各站的补偿电容器组, 采取适当串联5%~6%电抗器, 选择重要变电站进行安装相控电抗型动态无功补偿装置 (简称SVC) , 改善供电系统的稳定性, 抑制系统过电压和改善其动态特性, 抑制谐波、提高负荷的功率因素, 快速无功调节, 抑制电压闪变, 解决电网负荷不对称等问题。

变频器谐波的危害及抑制 第8篇

1 变频器谐波的危害

谐波产生的根本原因在于非线性负载所导致的, 在电流流经负载的情况下, 和所加的电压不呈现行关系, 那么非正弦电流也就产生了, 最终导致谐波的出线。而一般情况下, 变频器对容量小的电力系统所产生的影响不可忽视, 对容量较大的系统其影响不是很明显, 对公用电网来说, 谐波电流与谐波电压的出线是一种污染, 不仅恶化了用电设备周遭的环境, 而且使得其四周的通信系统以及公用电网以外的环境受到了破坏。总的来说, 谐波污染对电力系统的危害集中表现在以下几个方面。

1.1 耗损供电线路附加谐波, 影响电器设备正常运作

在集肤效应与邻近效应的双重影响下, 电路线路电阻会随着频率的增加而不断提高, 最终浪费电能。此外, 因为中性线正常时流过的电流较小, 在一定程度上致使导线过细;而当大量的三次谐波电流流经中性线情况下, 则会酿成不可挽回的后果, 譬如导线过热、寿命缩短以及绝缘老化等, 严重的则会致使火灾的产生。谐波对发电机的影响不仅仅在于附加功率耗损、机械震动, 同时还在于当电流波形成零点时, 因为有谐波的存在而直接导致高的di/dt, 这会直接增加开断的难度, 除此之外, 还会无形中延长故障电流的切除时间。

1.2 致使电网中的电容器产生谐振, 影响继电保护、自动装置的正常运行

工频下, 相比较于系统中的感抗而言, 系统装设的功能不一的电容器电路要大得多, 这样就不会导致谐振产生。然而, 这并不代表谐振就不会产生。这是因为谐波频率时, 随着感抗值的成倍增加容抗值则会成倍减少, 那么这就就是其中一个方面。谐振放大谐波电流, 直接烧毁电容器。更为重要的是, 由于谐波而导致公用电网局部并联谐振与串联谐振, 最终放大谐波, 引起危害的进一步严重化。谐波除了影响仪表、电能计量正常运行外, 还会对其他系统、电力用户带来很大的危害。举个例子, 干扰周围的通信系统、或噪音影响通信质量、或直接影响信息的传递, 致使通信系统难以正常运行。此外, 对电力用户的影响还表现在缩短电子设备寿命、降低精密机械加工产品, 使得家用电器工况变坏等。

2 抑制变频器谐波的方法

变频器凭借其独特的优势方便了人们的生活, 给人们带来巨大的经济效益, 然而在将大量谐波与无用功注入电网中的情况下, 供电质量逐渐恶化。除此之外, 伴随着以计算机为代表大量敏感设备的广泛应用, 在一定程度上使得人们对供电质量的要求日益提高。越来越多的国家也随之制定出谐波标准, 旨在对供电系统和用电设备所产生的谐波污染加以有效控制。总的来说, 抑制变频器谐波思路主要有以下三个:装置谐波补偿装置来补偿谐波;在电网系统中采用行之有效的措施来对谐波加以控制;改造电子系统装置, 抑制谐波的产生, 同时将其功率因数控制为1。

2.1 充分发挥无源滤波器或者有源滤波器的作用

有源滤波器主要适用于补偿非线性负载, 而在稳定、不改变的系统中, 无源滤波器可以充分发挥其改变特殊频率下电源的阻抗。LC滤波器是一种较为传统的无源谐波抑制装置, 其主要构成元素有滤波电容器、电阻器和电抗器, 并联于谐波源, 不仅有着滤波功能, 而且还有着一定的无功补偿作用。

2.2 借助于无谐波污染的绿色变频器

一般来讲, 绿色变频器品质标准在于不管是输入电流还是输出电流都是正弦波, 输入功率可加以控制, 在承载任何负载时都可以让功率因数为1。绿色变频器内部的交流电抗器在抑制谐波上有很好的功效, 能够在同一时间确保整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响。大量事实证明, 相比较于带电抗器而言, 不带电抗器产生的谐波电流要高得多。因为力求减少或者抑制谐波污染所带来的影响, 建议将噪声滤波器安置在变频器输出回路上, 尽可能在变频器允许的前提下, 让变频器的载波频率得到有效降低。还有一点需要注意的是, 在大功率变频器中, 往往使用的是18或12脉冲整流, 在这种情况下, 建议借助消除最低次谐波来达到减少谐波含量的目的。譬如, 18脉冲最低的谐波为17次谐波和19次谐波。

2.3 促使变频器的容量增加, 尽可能切断传输线路法

因为在电缆阻抗上, 非线性负载而导致的畸变电流会致使畸变电压降的产生, 可是合成畸变电压波形与同一线路上的其他负载加在一起会导致谐波电流由此经过, 所以, 增加电缆截面积, 增加变压器容量, 减少回路的阻抗亦或是切断传输线路法是减少或抑制谐波危害产生的重要举措。现阶段, 国内大部分采用的是增加电缆截面积, 增加变压器容量, 特别是采用整定值较大的熔断器、断路器等类似的保护元件, 然而这一手段并不能从根本上达到抑制乃至消除谐波产生, 甚至会使得其保护功能与特性受到一定的负面影响, 在增加成本投资的同时又滋生了供电系统隐患因素。

总而言之, 谐波产生的根本原因在于非线性负载, 其对电网、系统以及电力用户产生了极大的负面影响, 力求解决这一问题, 在具体治理上要充分发挥无源滤波器、有源滤波器的作用, 增加变频器容量, 减少回路阻抗, 采用绿色无谐污染变频器等手段, 将变频器所带来的谐波控制在最小的范围之内, 从而实现科学用电、绿色用电, 减少电网污染, 提高电能质量的目的。

摘要：伴随着电力电子工业的不断发展与人们节能意识逐渐增强, 变频器装置凭借其节约能源、高效率、智能化的独特优势俨然成为了现工业调速传动领域主要基础设备之一。由于变频器自身特殊的构造和电力系统中存在非线性原件及负载, 在一定程度上使得其电网电能质量不断下降, 因谐波引起的种种故障与事故不断发生。本文主要围绕变频器谐波的危害与抑制变频波谐波问题这两方面有序展开。

关键词：变频器,谐波,危害,抑制

参考文献

[1]施金良, 刘飞, 许弟建, 谢东.变频调速数控机床主传动系统的功率平衡方程[J].机械工程学报.2010年03期.[1]施金良, 刘飞, 许弟建, 谢东.变频调速数控机床主传动系统的功率平衡方程[J].机械工程学报.2010年03期.

[2]李方园.变频器在轻工机械中的设计与应用第一讲变频器在造纸机中的设计与应用[J].变频器世界.2010年01期.[2]李方园.变频器在轻工机械中的设计与应用第一讲变频器在造纸机中的设计与应用[J].变频器世界.2010年01期.

[3]李敏.负载换向式变频器在高线精轧机组的应用[A].全国冶金自动化信息网2010年年会论文集[C].2010年.[3]李敏.负载换向式变频器在高线精轧机组的应用[A].全国冶金自动化信息网2010年年会论文集[C].2010年.

谐波的分析及抑制 第9篇

一、谐波污染的来源及特性

当前谐波污染的主要来源有以下几种:

1、工业设备:变频调速装置、电弧炉、大型电机设备、逆变器等;

2、农业设备:变频控制的抽水机、卷扬机及大型电动交通工具的充电设备;

3、商用设备:复印机、大型空调机各种商用电气设备等;

4、家用电器:电视机、空调、电子式荧光灯镇流器、开关电源及电动车充电设备等。

此外还有一些公共设备, 如电子式镇流器的公共路灯, 采用开关电源的有线电视中继器及大型广告设备等。

以上这些设备产生的各种谐波, 如果在设计中没有很好的加以控制, 将通过各种途径注入公用电网, 使公用电网的波形发生畸变。如目前在很多家庭使用的电动车充电器设计良莠不齐, 再加上使用的元器件质量问题, 在一定情况下, 其接入电网的一定范围内会产生极大的谐波脉冲。图1为在某充电器工作时的电网波形。

可以看到, 50Hz的波形在谐波污染源附近已经发生了很大的畸变, 谐波脉冲幅度非常大, 甚至可以超过电网电压!对谐波进行频谱分析可以发现, 谐波的频率分量主要集中在55k Hz及其偶此谐波范围内, 实际上这也是大多数开关电源的工作频率。为方便分析, 我们重建了该充电器的电路模型, 用EDA工具仿真其波形及频谱, 如图2。

可以看到, 该充电器发出的强干扰基频在55k左右, 然后是其3次谐波、5次谐波…考虑到电力线本身的特性, 最影响载波设备工作的频率分量在其基波及3次谐波, 5次以上的谐波由于受到电力线的衰减, 短距离内幅度和能量都会被衰减到很小, 但是5次谐波以上的干扰会通过空间辐射发射出去, 影响到附近的中波接收设备。

二、谐波污染对电力载波通信的影响

电网的谐波污染, 除了会造成很多电器的控制单元失灵, 传感器误报, 用电器具工作时常等问题[1]外, 对于电力线载波的影响也是非常严重的:

2.1对通信过程的影响

常见的谐波污染, 由于其频谱范围在50-120k Hz, 对于在CENELEC A波段的载波, 会造成直接的干扰, 尤其是对于单载波通信, 会对通信造成无法恢复的破坏, 即使是多载波的OFDM方式, 甚至是通信波段在120k Hz以上的载波通信, 也会造成载波电路的输入回路发生幅度饱和, 从而使电网上正在运行的载波通信收到严重干扰, 表现为丢包率升高甚至完全不通。

2.2对物理器件的影响

谐波干扰, 会通过载波的耦合电路, 直接注入载波的输入/输出电路, 对载波电路的工作造成影响。如:对输入回路, 强大的脉冲输入会被芯片输入端吸收, 尽管芯片的输入IO都有二极管保护, 但是, 过大的脉冲电流会造成芯片温度升高, 严重的甚至烧毁芯片, 如图3 (a) 所示。对于输出回路, 由于末级一般是低阻抗回路, 倒灌的脉冲电路会导致末级功率管异常打开, 如图所示, 在电源电压的联合作用下, 造成末级功放管过热甚至烧毁。如图3 (b) 所示。

图3 (a) 谐波污染对载波输入电路的影响, (b) 功放电路在谐波污染时发生的倒灌状态

三、电力线载波模块对谐波污染的抑制措施

3.1 TVS抑制

瞬态抑制二极管 (Transient Voltage Suppressor) , 简称TVS, 是一种二极管形式的高效能保护器件, 它基于雪崩击穿的原理, 当TVS两端受到瞬间的高电压冲击时, 它能在纳秒量级时间内, 将端的高阻抗变为低阻, 吸收高达数百到数千瓦的浪涌电流, 并使TVS两端的电压钳位于一个预定值上, 从而有效保护其后的电子线路免受各种浪涌脉冲的损坏。

值得注意的是, 近年来有公司开发出一种基于可控硅的TVS[2], 利用的是可控硅的触发导通原理, 反应速度更快, 使用寿命更长。原理如图4所示。

这种瞬态电压抑制器件有个缺点:可控硅在导通后, 必须在工作电流归零后才能恢复正常状态, 因此在某些情况下, 导通后的器件对正常信号也构成一定的破坏。因此, 这种TVS一般要选用较高的导通电压。

3.2滤波网络抑制

图5采用4阶高斯滤波器的输入/输出回路 (a) 及其频率响应 (5欧姆阻抗) (b)

采用在载波回路增加滤波回路的办法, 既可以增加输入/输出回路的选择性, 又可以抑制工作频率外的干扰。但是由于需要的元件耐压较高, 且电路容量要大, 所以元器件体积都较大, 难以实现更高阶的滤波效果。一个为中心频率为315k Hz, 带宽50k Hz的OFDM载波输入输出回路设计的4阶高斯滤波回路机器频率响应如图5。

可以看出, 采用如上图所示的滤波回路后, 可以有效地去除低频段 (0-200k Hz) 的信号。需要指出的是, 对于抑制工作频带内的噪声脉冲, 滤波器无能为力, 一般必须与TVS结合使用, 如图6 (a) 所示。

3.3改进的耦合电感抑制

对于一个如图6所示的耦合电感,

两个相互耦合的电感L1和L2, 两端电压分别为:

其中, M为两个线圈间的互感。可以看到, 线圈端口的电压由自感电压和互感电压叠加构成。信号通过互感的方式通过耦合电感, 到达另一侧。

在工程上, 为了定量描述两个线圈的耦合程度, 定义参数耦合因子k:

耦合因子k与线圈结构, 相互位置及磁介质有关, 改变线圈的结构, 相互位置和磁介质等都可以改变耦合因子的大小[3,4,5,6]。

通常的载波模块上都采用磁环结构的耦合电感, 由于耦合电感磁芯截面积有限, 当流过器件的电流很大时, 会发生磁饱和, 此时输出电压不再随着输入电压变化, 造成输出波形的失真。为了避免出现这种情况, 一般在磁环上开一个磁隙, 由于磁隙与磁环体本身导磁率不同, 使磁滞回线倾斜, 使其弯曲曲线延伸到更大的磁场强度区域, 从而减少磁饱和的发生。在载波电路中, 为了尽可能耦合载波信号, 又要尽可能抑制带外信号, 还需要尽可能减少PCB上元器件的数目和体积, 通过改变线圈结构和位置, 并在磁环上开一个磁隙, 如图8所示, 可以良好实现这些目标。磁环增加气隙后, 内部的磁路将发生改变, 相关的数学分析较复杂, 可参考文献[7,8,9], 如果再考虑磁环上线圈的位置的变化影响, 很难建立一个准确的数学模型并加以分析, 在实践中, 我们采用了逐步改变参数, 同时用网络分析仪实际测试的方法。下图是在简单的外部元件配合下, 不同磁隙宽度情况下的耦合电感频率响应。

(磁环型号:T10*6*5C A151, 台湾越峰, 线圈采用0.3mm直径3层绝缘线, 混合绕制)

由图7的曲线可以看到, 带磁芯的耦合电感, 配合简单外围电路, 1、随着磁隙宽度的增加, 耦合因子降低, 带内衰减有所增加, 但是在可以接受的范围内;2、不必增加额外的元器件, 便具有了带通的效果, 不仅可以避免低频的谐波污染, 对高频段的干扰也有一定的抑制作用;3、随着磁隙宽度增加, 带通滤波器频率范围升高, 带内损耗增加。

需要注意的是, 磁隙宽度不能任意增加, 磁隙过大, 漏磁会增加, 而且插入损耗增加, 并且漏磁还会影响周围的电路。最终我们采用了0.2mm磁隙的磁环。

四、抑制效果分析

4.1抑制效果的实验室验证

为了测试谐波污染的抑制效果, 我们在实验室用用FPGA, 采用AWG技术 (任意波形发生器) 搭建了谐波污染源, 经验证, 输出波形及频谱特性与典型的电动车充电器谐波污染类似。为保证各种改进措施测试条件的一致性, 我们在实验室用同一污染源对三种输入/输出回路做了测试: (表1)

4.2现场试挂结果

在山东某地的60多个过热问题较严重的点, 这些点都有变频式卷扬机, 劣质家庭用大功率电动三轮车充电器等用电器具。蹲点监测发现, 之前未采用改进措施的载波模块, 在这些点上的用电器具工作时, 模块都会发生过热现象, 一些模块外壳温度超过70度, 甚至外壳变形, 少数严重的点, 载波模块内部电路烧毁。采用上述两种改进方案的OFDM载波方案的模块后, 在这些点试挂各30只, 使用8个多月, 并在这些用电器具工作时蹲点监测, 再无过热情况出现。

五、结语

本文对电力线谐波污染的来源、特性及抑制措施作了详细的论述。其中的TVS抑制措施已经广为认知, 但是使用效果存在不足。滤波网络措施可以较好抑制谐波, 但是会增加一定的成本开销。气隙耦合电感的使用, 比较完美地解决了谐波抑制和耦合效率及灵敏度的矛盾, 在实践中取得了良好的使用效果, 为载波模块设计提供了一个参考。当然, 本文提出的解决思路仅是针对当前实际情况下的应对措施。最终的解决方式还是希望电网管理部门与其他有关部门逐步完成针对谐波污染的立法[10][11][12], 切实规范各种用电器具的谐波发射水平, 还电网一个“清净”。

摘要：随着人民生活水平及工业、农业水平的提高, 丰富多彩的用电设备进入电网。种类繁多的用电设备, 设计水平参差不齐, 其中比较重要的一点表现在谐波污染控制水平, 好的产品设计能良好抑制谐波的扩散, 而差的产品无法有效抑制谐波, 造成电网上谐波水平偏高, 严重影响到电力线载波通信的可靠性及安全性。文章对电力线上的谐波污染的来源, 特性及对电力载波的影响做了详细的分析和研究, 同时, 从载波模块设计的角度, 对谐波干扰的抑制提出了几种改进措施。采用文中谐波抑制技术的载波模块已经在现场小批量并长时间使用, 抑制效果显著, 对载波模块的设计有一定的参考价值。

关键词：电力线载波 (PLC) ,谐波污染,TVS,耦合电感,磁隙

参考文献

[1]李明强, 王杰, 王双, 谐波对电网影响的探讨与研究, 《供用电》第22卷第5期, 2005年10月

[3]梁秀敏, 于鹏, 基于低压电力线载波通信的耦合技术研究, 《装备制造技术》2009年第三期, p35.

[4]蔡红娟, 贺良华, 基于低压电力线通信的信号耦合电路设计, 《电力科学与工程》, 2007年3月, 第23卷第1期。

[5]李建歧, 胡岚, 米硕, 低压电力线载波通信宽带耦合技术及其装置, 《电力系统通信》, 2004年第四期。

[6]李刚, 仲元昌, 低压电力线载波通信的耦合电路分析, 《重庆大学学报》, 2004年3月, 第27卷第3期。

[7]Fermín A.Holguín, Rafael Asensi, Roberto Prieto, JoséA.Cobos, Simple analytical approach for the calculation of winding resistance in gapped magnetic components, IEEE.

[8]Fermín A.Holguín, Roberto Prieto, Rafael Asensi, JoséA.Cobos, Power Losses Calculations in Windings of Gapped Magnetic Components, IEEE.

[9]CHEN Wei, HUANG Xiaosheng, ZHENG Juanjuan, Improved Winding Loss Theoratical Calculation of Magnetic Component with Air-gap, 2012 IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference-ECCE Asia June 2-5, 2012, Harbin, China.

[10]芦伟, 电网中谐波的监督管理及限制谐波的标准, 《甘肃科技》, 2003年11月, 第19卷, 第11期。

[11]林海雪, 国外谐波电压标准介绍, 中国电力科学研究院北京100085

钻井井场电气系统谐波分析及其抑制 第10篇

1 钻井井场谐波分析

1.1 钻井井场谐波的产生

目前我国电驱动钻机电气系统主要有直流电驱动系统和交流变频驱动系统2种, 直流电驱动系统虽然也可以实现无级调速, 并且因为多年来以其可靠性仍然被广泛的使用, 但是由于交流电机无电刷, 可靠性更高, 密封性更好, 体积更小紧凑, 因而交流变频系统最近大量使用。

电力电子装置是目前各种电气系统中数量最大的谐波源, 这种装置的主要类型是多相率因数更高, 调速范围更高, 过载能力更强而逐渐取代直流电驱动系统。因此本文将交流驱动系统作为研究对象。包括整流器 (交流→直流) 、逆变器 (直流→交流) 和变频装置。变频装置主要是整流器和逆变器的复合。

交流变频电驱动钻机系统中包括整流器和逆变器的变频装置是最大的谐波源。如图1所示, 交流变频电驱动钻机电气系统主要是由发电机组、整流单元、逆变单元、制动单元组成, 由发电机组发出600V/60Hz电源, 经三相桥式整流单元变成直流电, 经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件组成的逆变单元逆变为频率可变的交流电驱动和控制大功率交流变频电机, 制动单元主要是电机制动时能耗制动单元。这个系统产生的谐波主要为输入侧谐波、输出侧谐波。输入侧的波形为矩形波, 波形按照傅立叶级数分解为基波和各次谐波, 其中的高次谐波会对整个小电网系统产生干扰和影响, 是必须抑制和消除的;输出侧谐波主要对电动机负载产生影响, 由于输出侧电动机一般选用变频电动机, 是专用于变频调速的电动机, 有特殊的绕组和绝缘设计, 受谐波影响很小, 因此对电驱动钻机系统谐波分析通常以输入侧谐波为主。

三相整流单元的输入电流中的谐波电流含有率取决于下列因素:

1) 整流单元的脉动数P

2) 整流单元导通的延迟角 (或称控制角) α以及换相的重叠角γ

3) 整流单元的控制型式, 分为非相控、全控和半控型

1.2 各因素对谐波含有率的影响

1) 脉动数

脉动数p等于一个工频周期中的导通次数, 也等于同一时期中的换相次数。整流单元的特征谐波次数hC等于

hC = kp± 1 (k 是任意正整数) (1)

特征谐波电流是整流装置的主要谐波电流, 其值相对较大。hC以外的谐波次数, 是非特征谐波次数。非特征谐波电流在理论上是零值, 实际上也相对较小。

整流单元的各次谐波电流含有率Ih/I1 (基波电流) 的关系式是

Ih/I1 ≦ 1/ hC (当h= hC 时) (2)

Ih/I1 ≦ 0.25/h (当h≠ hC 时) (3)

根据公式 (1) :

当p= 6 时, 特征谐波次数为hC = 5, 7, 11, 13, 17, 19, … 。

当p=12 时, 特征谐波次数为hC = 11, 13, 23, 25, 35, 37, …。

当p=24时, 特征谐波次数为hC = 23, 25, 47, 49, …。

根据公式 (2) 、 (3) , 提高整流单元的脉动数可以从根本上减小交流变频电驱动钻机变频装置输入侧谐波电流值, 但是要增加变频装置的造价。

2) 整流延迟角、重叠角

在交流变频电驱动钻机变频系统整流单元中通常采用的是二极管非相控全波整流电路, 并且按照理想假定延迟角α和重叠角γ都是零值, 输出的直流电流Id 恒定而无纹波。这时整流桥输出的直流电流Id对于整流变压器一次侧交流相电流Iph 的比例和总电流畸变率为:

当p= 6 时, Id / Iph =1.225 kt ,

THDI=29.6%

当p=12 时, Id / Iph =1.225 k/cos15°=1.268kt ,

THDI=15.3%

当p=24 时, Id / Iph =1.268 k/cos7.5°=1.279kt ,

THDI=7.6.% (kt 整流变压器的变比)

实际上, 由于换相电路中存在电感, 故换相不能瞬间完成, 即γ>0。特征谐波电流含有率的总趋势是随着γ增大而下降, 虽然出现周期性升降, 但其变化幅度也随γ增大而下降。

3) 控制型式

采用二极管整流的非相控型整流单元的换相是自然换相, 即在二极管组交流侧各相电压波形的交叉处开始换相, 理论上其导通的延迟角α=0, 故换相角γ相应较大, 因此与相控型的相比, 其交流电流中的谐波含有率相对较低。

另外, 在钻井井场很多设备都会有电力电子装置, 比如电机软启动器, UPS, 各种节电器, 含整流设备的荧光灯, 在某些以进口设备为主的井队也配置了60Hz→50Hz的变频电源, 这些装置都是井场的谐波源, 它们在成为谐波源的同时也为其他谐波源所影响。对于这些三相电力电子装置由于或与变频系统整流单元相同结构, 或仅为其一部分故分, 因而谐波性质相似, 而且大多容量不大, 这里不再详述。

除此之外, 由于变压器的铁心具有非线性磁化特性, 其励磁电流中通常会含有高次谐波电流;各种泵、搅拌器、空气压缩机用的电动机, 电视机、节能灯、电冰箱、微波炉等井场生活用品, 计算机、打印机、UPS、充电器等工作用品以及各种仪器都是非线性用电设备都会产生谐波。但是以上设备均单体容量较小, 数量也不多, 产生的谐波与大功率的变频调速装置相比应该比较小。

综上所述, 交流变频电驱动钻机电气系统中三相变频电力电子装置是主要的谐波来源, 并且变频系统整流单元的脉动数是决定谐波含量的根本因素。

2 谐波的危害

对于大容量的电力系统来讲, 其容纳谐波的能力也较强, 少量变频装置对它的影响较小, 但对于钻井井场这个小电力系统, 谐波的危害就不可忽视。

2.1 谐波对输、供电和用电设备的危害

1) 变压器

谐波使变压器的铜耗和铁耗增大, 损耗增加, 使变压器的实际使用容量减少。除此之外, 变压器出现过热、效率降低, 谐波还导致变压器噪声增大。

变压器的激磁电流中含有谐波电流, 使变压器同时成为谐波源。小型变压器在受到较大的谐波电流或电压时会导致损毁, 其中包括谐波电压使绝缘击穿。

2) 电容器

谐波使电容器出现老化现象。由于电容器是容性阻抗, 所以能和电网中大部分都是感性阻抗的电气设备配合成谐波谐振或接近谐波谐振的条件;由于它的阻抗和频率成反比, 所以容易吸收谐波电流而引起电流过载, 有时出现爆炸。例如, 井场地空调设备电容就经常被谐波烧毁, 影响空调的使用。

3) 电动机

谐波电流对于普通感应式电动机会出现电机局部过热, 降低输出功率, 有些谐波引起的脉动转矩的频率有可能与电动机的固有振动频率合拍, 从而发生强烈振动, 以致电动机损害。对于经常承受较大谐波的电动机, 也有可能出现较大谐波轴电压击穿轴承油膜。

4) 电缆

由于谐波次数高, 频率上升, 再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显, 从而导致导体的交流电阻增大, 使得电缆允许通过电流减小, 电缆内耗加大, 电缆发热, 缩短电缆的使用寿命。

2.2 谐波对继电保护和自动装置的危害

由于谐波的存在, 对于由电压或电流信号启动动作的继电器或启动元件, 当基波动作量并未达到整定值时, 较大的谐波量和基波量叠加后的综合量超过动作定值, 使装置动作, 出现误动作, 影响装置可靠性。

对于电压和电流继电器或元件配合的差动电路、零序电路或负序电路构成差动、零序或负序继电器时, 由于这些电路输出的基波都很小, 相应得元件的整定值都低, 谐波量在动作量中可能很高, 这些电路对谐波很敏感, 也会产生误动作。

对于电磁式继电器来说, 谐波会引起继电保护及自动装置误动或拒动, 使其动作失去选择性, 可靠性降低, 容易造成系统事故, 严重威胁钻机电气系统得安全。

2.3 谐波对仪表系统的危害

钻机谐波首先容易使仪表系统供电电源发热, 元件损坏, 甚至发生损坏, 导致系统失电, 使仪表系统不能正常工作。这一点, 尤其对有钻机系统的海洋平台尤其重要, 有发生整个中控系统失电可能, 导致控制失灵, 发生事故。

其次, 谐波会使某些仪表增加误差, 导致测量不准确, 不能实现正常德控制功能。

2.4 谐波对通讯系统的危害

谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导机理, 会在邻近的通信线路产生干扰电压, 不但可以损害通话的清晰度, 而且由于谐波和基波的综合作用, 据记载曾多次发生由于谐波作用无故触发通信系统的记载, 在极端情况下会威胁通信设备和人员的安全。

3 谐波的抑制方法[3]

谐波对钻机电气系统、通讯系统、仪表系统和用电设备均有可能产生危害, 在某些情况下有可能会造成安全事故;而且根据国家标准GB/T14549—93《电能质量——公用电网谐波》要求, 低压电网的电压总谐波畸变率必须小于5%的要求, 所以必须对钻机的电气系统谐波进抑制。

结合现场使用经验, 以下几种方式对于抑制谐波是可行的。

1) 提高整流单元的脉动数

整流单元的脉动数是电网谐波电流含量的决定因素, 增加整流单元的脉动数可以有效地减少谐波电流的谐波含量。

2) 采用有源滤波器

滤波通常有有源滤波器和无源滤波器之分, 无源滤波器是由电容、电抗和电阻等元件构成谐振电路吸收谐波电流的滤波器;而有源滤波器响应速度快, 补偿效果好, 对电网参数没有影响, 也不存在与电网系统谐振问题, 因此越来越多的应用于变频钻机电驱动系统中。不过有源滤波器也有初期投资高的确点, 而且目前国产化水平还不高, 大容量的都必须引进, 费用较高。

3) 提高变频器的载波频率

对于输出端谐波, 目前大容量变频器载波频率大多在1.5kHz左右, 如果选用较高的变频器的载波频率也会很好的降低谐波含量。

4) 加装串联电抗器

在用电设备进线处加串联电抗器, 以增大和系统的电气距离, 减小谐波的相互影响。同时应考虑功率因数补偿和电压调整效应。这种方式的优点是运行简单, 但是只能对于单个用电设备起作用, 对于系统得谐波降低作用不大, 而且需专门设计。

4 结束语

随着电力电子设备的发展, 越来越多非线性设备将应用于钻井井场, 井场谐波干扰现象也会越来越严重, 同时电力电子技术的发展也会产生更加高效、更大容量的滤波器和滤波方式, 抑制谐波这一课题也将得到大家更加广泛的关注和深远的发展。

摘要：通过介绍钻井井场电气系统结构, 分析了谐波的来源和决定因素, 然后说明了谐波对钻井井场电气系统产生的影响及其危害, 根据实践经验针对危害提出了抑制谐波的几种方法, 并对滤波方案前景进行了展望。

关键词：钻井井场,变频驱动,整流单元,脉动数,抑制

参考文献

[1]冯莉萍, 戴春芳, 王滨海.海洋钻井平台谐波成因与治理分析[J].石油矿场机械, 2007, 36 (6) :23-25.

[2]王立萍, 吴黎明.单片机系统的抗干扰问题研究[J].石油矿场机械, 2006, 35 (5) :35-38.