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摘要 ：为了解决电解铝整流供电系统中频繁产生高次 谐波的问题，避免电压波动、电容器击穿、继电保护误动 等风险，保证电解铝整流供电系统的稳定高效运行。本文 简要介绍了高次谐波产生的机理与危害，并提出了电解铝 整流供电系统中高次谐波抑制的方法，总结了可行的无功 补偿策略，并提出了改进谐波负载源补偿方式、优化调节 滤波回路无功功率、合理选择滤波回路等建议。
关键词 ：电解铝,整流,供电,无功补偿,高次谐波
以电解铝企业为代表的大型用电单位对供电稳定性有 着极高的要求。当整流供电功率因数低于0.9 的限值时，会 引发一系列连锁反应，导致绝缘老化、设备效率下降等问 题。因此，有必要对改进和优化电解铝供电系统的方式进 行深入研究。
1 高次谐波产生机理与危害探析
高次谐波的产生与现代电网系统的供电模式密切相 关。供电电压受设备状态、用电负荷、供电半径等因素的 影响， 因此不会像理论模型中那样呈现出正弦波形。此外， 整流供电过程中，使用单相导电作用，当系统中正反相电 压频繁通过时，会产生较大的阻值差异，导致输出电流出 现波动，呈非正弦波形。交流电力系统中的电流产生、输 出，并汇总到整流装置中，同样呈非正弦波形态，并受系 统参数、接线条件以及整流装置相数等多种因素的影响， 进一步引起畸变。这些电流畸变的程度各不相同，造成的 危害也有所差异。根据傅立叶级数的分类，可以将谐波分 为基波和谐波两类，后者根据频率和振幅的不同又可分为 不同的级数，通常用 12K±1来表示，其中K为自然数。根 据电网系统的历史运行数据，谐波的变动范围非常广，最 高级别可达到27、29级，造成的危害不容忽视。主要表现 在以下几个方面。
(1)加剧线路损耗。当高次谐波电流通过系统线缆时， 电阻会在集肤效应的作用下明显增大，导致输电损失上 升，同时加剧线路损耗甚至烧穿绝缘外皮，给输电效率的 优化带来阻碍，也在一定程度上提高了电网系统故障发生 的几率。
(2)击穿电容器。电容器是现代电力系统中较为常见的设备类型， 可以有效提高功率因数， 实现无功补偿。由于 电容器容抗与通过电流频率之间呈反比例关系，因此当线 路产生高次谐波时，电容器的电容抗会显著降低，甚至出 现谐振、过热问题， 进而造成介质老化、设备击穿等后果。
(3)造成继电保护误动。当高次谐波入侵电力系统时， 高频相差保护继电器、变压器高频差动保护继电器等发生 误动的几率会明显上升，很容易导致供电系统解列、停电 等问题， 给用户和电网造成严重损失。
(4)造成仪表误差增大，现代电网系统中对高精度仪 表、设备的应用非常广泛，借助该类仪表可以远程监控系 统运行状况。若系统中产生高次谐波，仪表金属部件就很 容易受到干扰，在高频磁场下改变制动力矩、相位角等参 数，进而带来计量误差， 影响系统的正常运行。
(5)烧毁系统设备，高次谐波对于变压器、电动机等 核心设备的损伤是极为严重的，谐波流过造成局部发热， 对变压器铁芯、线圈等造成损耗，对电机小齿、槽楔等造 成损伤，都可能带来烧毁、烧损的风险，必须进行科学的 治理和预防措施。
2 电解铝整流供电系统中高次谐波的抑制方法
(1)提高换流装置的脉动数是一种技术改造的方式， 可将其提升到适宜的水平，减少线路中的谐波量。对于三 相桥式电路而言，将脉动数从 6提高到 12.效果非常显著， 可以有效消除 5 次、7 次谐波。如果线路中存在多个谐波 源，还可以将它们接到同一母线上， 形成相互补偿的结构。 这种方法的效果很好， 但可能会增加装置的复杂程度。
(2)安装交流滤波装置也是一种有效的方法。滤波装 置具有运行维护简便、抑制效果良好的优点。它可以安装 在谐波源附近，有效吸收谐波电流，减少线路系统中的谐 波量。虽然装置本身会产生与谐波源大小相等但相位相反 的谐波，但通过设计合适的环节使用，可以滤除设备产生 的不同滤波。如果谐波量超过允许的上限，可以设置单调 谐波装置来吸收和滤除特定的谐波。如果谐波等级较高， 达到 13次及以上， 则需要设置高通滤波器。
(3)改变谐波源的工作方式也是一种解决方法。在整 流供电系统中，可能存在多种谐波源。可以优化调整装置的布局方式，将具有谐波互补性的设备集中在一起，以相 互吸收和抵消谐波。还可以交错使用设备装置，减少总体 谐波产生量， 以确保系统的稳定运行。
(4)在用户端可以安装串联电抗器进行改造。在进线 处加装串联电抗器，使其成为谐波阻塞关口，可以显著延 长设备和系统之间的电气距离，从而降低谐波相互影响的 概率，避免谐波过负荷的风险。需要注意的是，串联谐振 频率不要过高， 通常在250Hz 以下较为适宜。
(5)增强系统承受谐波的能力也是一个重要考虑因素。 在电解铝整流供电系统的规划设计环节，可以适当提升供 电点的容量，或采用高一级电压电网供电方式，以减少谐 波的影响。对于高精度设备或谐波敏感设备，可以配备谐 波保护装置， 以增强其抗干扰能力， 保障系统的安全性。
3 电解铝整流供电系统含有高次谐波时的无功补偿方式
3.1 改进谐波负载源补偿方式
现阶段电网无功补偿设计环节，通常会采用补偿电容 器装置， 将其直接接入电网以提升功率因数。然而， 当电网 存在谐波源负载时，这种做法的风险会明显提升。在这种 情况下，电容器和电网阻抗会相互作用，形成一个并联谐 振回路。在 5次谐波频率下，谐振间断和并联阻抗显著增 加，导致谐波电流不断通过谐振回路，并产生较高的谐波 电压。由于并联谐振回路的存在， 谐波电压受到加持， 与基 波电压相互作用，加剧电压波形畸变问题。当供电系统正 常运行时，电网和电容器之间的平衡电流急剧扩大，可能 会达到谐波源发出电流的若干倍，给变压器和电容器带来 巨大的负荷压力。在谐波放大的影响下，这些核心设备经 常处于过负荷运行状态，最终导致绝缘老化、构件损坏甚 至击穿爆炸等问题。因此， 在实践过程中， 必须优化改进谐 波负载源的补偿方式。应以电网阻抗参数、电容器容抗参 数等为依据，精确计算并联谐振频率，并以此为基准优化 调整电容器容量，适当拉大并联谐振频率与特征谐波频率 之间的差距， 防止谐波放大等问题的出现。然而， 在实际运 行过程中，这种方案的实施非常困难，因为电网阻抗不是 固定、明确的参数， 而是呈现动态变化的参量。设计环节很 难完全避免谐振的发生。如果系统中设置了多组电容器， 还会增加系统的复杂程度，给优化调节操作带来阻碍。因 此，对于存在谐波源设备的整流供电系统，若要进行无功 补偿，就必须采取必要的技术措施，确保并联谐振点移动 到安全位置。目前最常用的措施是在电容器回路中串联电 抗器。下面将详细阐述其作用机理和设计要点。
3.2 电容器回路串电抗
电容器回路串电抗同样是电解铝整流供电系统无功补偿的重要方式之一。通过串电抗可以在内部形成一个串联 谐振回路，当谐波源设备正常运行时，谐振频率下产生的 阻抗是非常低的，从理论上讲甚至可以达到 0.根据功能 用途不同，可以将串电抗形式分为两种。其中，纯滤波回 路的谐波吸收能力较好，串联谐振频率设计恰好与特征谐 波频率相同，可以有效减少谐波带来的危害。相比之下， 失谐滤波回路的吸收能力较差，只能吸收少量谐波，但可 以有效防止谐波放大。这两种形式的组合可以提高防护效 能。在设计回路串联谐振频率时，需要结合实际情况进行 加强分析，通常不能超过电网的最低次特征谐波频率。如 果以基波频率大小为标准衡量，则不得大于标准值的 3.8 倍～ 4.2倍。串电抗的电抗和容量也需要经过精心设计， 通 常以电容器容抗和容量为基准进行衡量， 保持在 6% ～ 7% 左右比较合适。根据理论推算，当电抗和容量为 6% 时，谐 振次数可以达到4.08.而失谐滤波回路只能吸收部分 5 次 及以上谐波，剩余的谐波会流入电网由纯滤波回路吸收， 因此可以根据预计功率因数值设定其容量。串联谐振结构 搭建完成后，滤波回路的合成阻抗会明显下降，一度接近 0.因此谐波电流会以接近“短路”的形式存在。同时，滤 波回路还会根据谐振频率进行分割。在谐振点以上表现为 容性，在特征频率以下，则与电感相互作用，构成并联谐 振回路。如果在该范围内没有特征谐波，那么电网运行是 非常安全的，不会受到并联谐振的负面影响。对于采用三 角形接线方式的电解铝整流供电系统，建议以特征谐波频 率为基准设定谐振频率，通常以基准值的 96% ～ 98% 为 宜。这样可以平衡电容量变化，规避由频率波动、温度变 化引发的风险因素。
3.3 优化调节滤波回路无功功率
对于存在高次谐波的电解铝整流供电所来说，滤波回 路设计环节，通常会将吸收谐波作为第一要务，以提升系 统对谐波的承受能力，减少高次谐波对系统造成的损害。 但这种方式也给系统无功补偿带来了阻碍，回路对基波无 功功率的调节能力会对应下降，整体的灵活性受损，只能 采用来回投切的方式进行补偿。投入、切除的顺序也是较 为固定的，前者采用由低次到高次的顺序，后者采用从高 次到低次的顺序，很难达到预期的无功补偿效果。因此， 实践中还需要对滤波回路的无功功率调节方式进行优化， 对于容量较大的补偿滤波装置来说，推荐以纯滤波回路为 主，搭配失谐滤波回路的方式，提升运行效能。其中纯滤 波回路以固定形式运行，可以对供电系统中的基本负荷进 行有效补偿，失谐滤波回路则承担调节运行职能，可以对 系统中的变动负荷进行滤波和补偿。但这种方式也会带来 新的问题，若两个同次滤波回路同时存在于整流供电所之中，并在特征谐波频率下同时运行，那么是很容易产生并 联谐振的，两者一个呈感性、另一个呈容性，会进一步放 大谐波，加剧谐波危害，影响设备线路运行安全性。针对 该种问题， 实践中还需要进行优化完善， 若采用并联方案， 则可以对支路状态进行对应调整，使其在特征谐波频率下 转变为感性，拉近各支路电阻差异，从而解决电流分配难 题。这种方式可能削弱滤波效果，但整体上影响不大，要 结合实际需求选择。若要提升调节灵活性，则更推荐并联 支路模式， 将同次滤波回路整合起来， 同时接入电网之中， 支路电容则采用并联方式，最终形成总的滤波回路。当整 流供电系统正常运行时，线路可以任意投切多个支路，既 规避了并联谐振产生问题，也保障了滤波效果。对于负载 波动频繁的整流供电系统来说，还可以采用动态补偿方 式，搭配滤波器以提升系统可靠性。
3.4 合理设计滤波回路
滤波回路的设计直接影响到滤波装置的运行效率，因 此在设计和应用过程中必须遵循两个原则。首先是谐波 吸收优先原则，明确回路设计的首要目标是吸收谐波，规 避电网电压畸变风险，确保继电保护运行平稳、设备运行 安全。同时，滤波器还可以附带基波无功补偿功效，但这 一功能应该放在次要位置。其次是功率因数优化原则，在 细致分析整流供电系统的无功补偿需求之后，根据需求设 置电容器容量，以达到吸收谐波、提高功率因数的最终目 标，从而保证安全、降低损耗，并优化供电环境和效率。 基于上述原则，整流供电可以根据需求设置多台滤波补偿 装置，其中装置数量以整流变套数为基准确定，并将其挂 接在整流调压变压器上方，具体位置位于补偿绕组侧，以 提升滤波补偿的针对性。当设计单套滤波装置时，也需要 事先分析系统发出的谐波情况。以某地电解铝整流供电为 例，该系统主要发出 5 次、7 次和 11 次谐波。因此，在设计 过程中可以设置三条滤波支路，分别对应三种不同等级的 谐波进行滤除处理，每条支路上都设置单调谐滤波器，以 确保谐波滤除的有效性。在案例中，采用了双星形不平衡 电流保护方式，配备了TALA20 型电容装置。对于不同支 路的滤波器，还进行了差异化的安装容量设计。其中，5次 和 11次滤波器的安装容量相同，均为 10800kV·A，而 7次 滤波器的容量与之不同，设计为 7200kV·A。经过运行试 验发现，这样的设计能够较好地满足高次谐波滤除和系统 无功补偿的需求， 值得实践中借鉴。
3.5 科学设置滤波补偿装置
(1)无源滤波器(FC)采用吸收式滤波原理，通常可以用于谐波源较为简单的供电系统。它将高性能滤波电容器 和滤波电抗器串联起来，形成滤波补偿器，以实现吸收谐 波分量和补偿无功功率的目标。根据性能不同，这种无源 滤波器可以分为调谐滤波技术和非调谐滤波技术。前者的 效率可以达到 70%，但配置容量较大，可能会带来电压波 动和过补偿等副作用。后者的运行原理是抑制谐波流动， 结构更加简单， 但效果较差。可以根据需求进行选择。
(2)有源滤波器(APF)采用动态滤波消除方式，在重 要负荷场所较为常见。它根据用电设备的情况，提供个性 化的滤波服务。有源滤波器融合了数字处理技术和脉宽调 制技术等， 可以实时检测谐波分量大小， 并产生相同幅值、 相同相位的相反电流，从而抵消谐波电流，滤除效果达到 97% 以上。它可以有效抑制闪边，补偿无功，但整体造价 较高。
目前，我国的供电技术不断发展，组合型滤波器结合 了两者的优势和长处，已经得到广泛应用。这种滤波器整 合了有源滤波器和无源滤波器，有源滤波器负责提供负荷 谐波电流，无源滤波器负责提供基波无功功率，相互配合 减小逆变器容量，降低运行费用，并保证系统的安全。在 必要的时候，还可以采取一些保护措施，比如在单台电容 器内部额外设置熔丝保护，以减少电容器过热击穿和烧毁 的风险。在各个滤波支路进线处，还可以设置氧化性避雷 器，防止雷雨天气对设备的损坏。此外，还可以对滤波器 总进线区域和断路器出线端区域进行优化，增设过电压吸 收器装置，降低过电压产生的风险，保证滤波补偿装置的 高效运行。
4 结论
综上所述，高次谐波对于电解铝整流供电系统来说具 有巨大的危害。它不仅会加剧绝缘老化现象，还可能导致 三相不平衡问题，进而缩短设备的使用寿命，隐藏电容器 击穿的隐患。因此，在实践中必须充分重视。需要加强对 并联谐振频率的预测推算，及时调整电容器容量。必要时 可以通过串联电抗的方式构建串联谐振回路，增强线路的 无功补偿能力。同时，应合理选择滤波回路，科学调节回 路的无功功率，并设置滤波补偿装置，为电网系统的平稳 高效运行提供保障。
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