通信供电系统功率因数提高与谐波治理研究

王献忠，刘练达，郭龙波

（中国人民解放军96946部队，北京 100085）

0 引 言

研究表明，在通信站中可产生无功功率和谐波，对系统的通信质量、通信传输安全等产生严重影响。在通信网络逐渐扩大的情况下，需要通过分析无功功率和谐波产生的原因，提高功率因数，治理谐波，以保障通信系统稳定、安全运行。

1 无功功率与谐波的产生及其危害

1.1 产 生

在通信供电系统负载中存在较大的阻感负载。供电系统中的变压器、电动机都属于阻感负载类型。变压器、电动机等消耗大量的无功功率，同时电抗器、架空线也是无功功率消耗的主体。供电系统只有使用阻感负载有效吸收无功功率，才能保证系统稳定运行。供电系统中电力、电子等装置在运行环节需要消耗大量无功功率，尤其是相控装置。各种装置应用过程在线路中形成谐波电流，各谐波源需消耗无功功率。应用二极管电路中产生的基波电流与电网中产生的相位电压基本相同，对基波的无功功率消耗量影响不大，但是其产生谐波电流会消耗定量的无功功率。系统内谐波源主要是各种电力、电子等设备产生的，其中包括变流器、整流器以及变压器等。在供电系统中，电力、单子等装置应用数量逐渐增加，导致谐波来源越来越多，对系统的稳定运行产生了重要影响。

1.2 危 害

当线路中存在大量谐波时，会引导熔断器、继电保护装置以及自动装置等产生误动，还会对系统相邻区域通信造成干扰，导致通信系统难以正常工作而影响通信质量。

线路中无功功率会影响线路消耗，当线路中变压器两端电压变化幅度较大时，会对功率因数造成影响，对系统负载造成冲击，导致线路中电压波动激烈，影响供电质量。

供电系统中各种元件产生谐波时，可降低设备运行效率和电网输电效率。同时，谐波的存在还可能对电气设备稳定工作造成影响，增加了设备电量损耗，发生振动，产生过电压、噪音等，同时导致变压器部分位置发热。谐波还可导致供电系统串并联谐振，放大谐波，引发严重谐振效应造成安全事故。

此外，供电系统中产生无功功率会导致功率因数发生变化。系统中变压器、发电机、导线以及电气设备等电流增加，将造成线损增加[1]。

2 提高功率因数治理谐波的重要性

提升供电系统的功率因数，可降低电网电源负荷和线路无功功率。系统中功率因数的大小，直接影响电力系统发电设备、供电设备以及用电设备等的使用效率。提高功率因数能够提高电路电压，降低电压损失，改善电能的传输质量。提高功率因数还可减少电网中无功电流流动，进而降低线路、变压器以及母线等产生的电能损耗，实现节能、降损等运行目标。

在通信系统中，谐波对电网中各种电气设备影响较大。当线路中产生谐波时，设备过载量较大，发热、加速老化，还能导致自动装置发生误动。因此，为改善通信质量、保证通信的畅通性，应加强对谐波的治理。综上分析，为保证通信供电系统的稳定运行，提高通信质量，保证电力传输通常性，需要提高功率因数，找出谐波治理措施，提高系统运行效率，降低损耗。

3 通信供电系统功率因数和谐波治理措施

3.1 提高供电系统功率因数有效进行谐波治理的意义

有效提升供电系统功率因数能够降低由线路输送的无功功率和电网电源侧向感性负荷提供的电能，降低电网中无功功率的流动，减少由于输送无功功率造成的输配电线路中母线和变压器过量的电能损耗，有效改善电能质量，从而达到节能降损的目的。

无论是电容器、变压器还是电动机、发动机，谐波对所有能够与电网连接的电气设备都会产生危害，主要体现在会产生谐波附加损耗。谐波污染同样会使得包括电缆等输电线路出现过量损耗，同时谐波过电压和设备过热过载会使设备产生绝缘老化。因此，有必要进行谐波治理，以起到有效的节能作用。

3.2 提高自然功率因数

自然功率因数本身指的是用电设备自身所自带的功率因数。该数值的高低水平同设备的负荷率有密切关系。为了能够有效减少无功功率消耗，提升自然功率因数，可以采用以下两方面措施。一是合理选择电机大小，以免出现“大马拉小车的现象”，并及时更换负载率小于40%的电机。二是正确选择变压器容量，以提升变压器负荷率，并将其维持在75%～80%。该方法本身具有较强的经济性和有效性，但若是变压器本身具有容量的季节性变化，将很难进行科学合理的变压器容量选择。以中央空调系统为例，它有着较大的单机容量，但空调本身是季节性使用的电气，若仅使用一台变压器，那么若想使得空调在运行过程中不过载，便要尽可能大地选择变压器容量。若是空调处于停用状态，那么变压器会呈现出轻载状态，降低功率因数。针对该现象难以通过单纯采取提升自然功率因数的方法满足功率因数要求，需进行无功功率补偿以提升功率因数。

3.3 分析两者的联系

在谐波环境下使用电容无功补偿，可能导致系统产生过电流、串联谐振以及并联谐振等问题。为控制以上影响因素，可采用更换设备、优化电网以及更改补偿方式等治理措施。综合考虑下，使用更改补偿方式实践过程的可行性较高。这种治理措施可在电容端串联电抗器元件、单独电容器以及电抗电容组合，有效提高供电系统的功率因数，实现无功补偿。但是，对比两种方案，使用电抗电容补偿可应用于谐波环境，保护电容器，防止产生谐振问题。纯电容器的应用优势为结构简单，成本投入较小。实践应用环节，若从节约成本方面考虑，使用纯电容器控制系统中的功率因数，需要先治理谐波。当系统处于谐波环境下运行时，需要将电抗器和电容器串联在电路中，从而保证系统运行过程的安全性。

3.4 使用补偿电容器

控制通信供电系统功率因数，可使用无功补偿电容器，将其并联在电路中。供电系统中，异步电动机为主要负载，其中多数电气设备电路可视为电感和电阻串联电路。功率因数计算公式为：

电路中接入补偿电容器后，电压、电流相位差减小，此时供电电流相位大于电压，这种现象为“过补偿”。使用过程应控制“过补偿”出现的概率，以免变压器端产生较高的二次电压。同时，无功功率存在于电力线路会加剧电能消耗。测试线路电压也会相应升高，导致电容器温度升高，功率损耗增加，影响使用寿命。

计算补偿电容器容量时，需结合补偿方式、负载情况以及连接方式等要求，使用集中补偿、分组补偿等。容量计算公式为：

式中，P为系统最大有功负载，β为平均负载率，φ1为无功补偿前功率因数角度，φ2为无功补偿后功率因数角度。结合电容器容量需求，需合理选择连接方法。

3.5 使用滤波器

滤波器是电抗器、电阻器以及电容器共同组合形成的滤波装置，与谐波源并联连接在供电系统中，以满足系统的滤波要求，同时符合系统对无功补偿的相关要求。滤波器的使用主要是根据谐振原理。当谐振次数为N时，计算公式为：

滤波器对谐波的阻抗计算为：

在谐振位置，有：

由于Rfm值较小，因此n次谐波的电流被Rfm分流，控制电网中的谐波电流流入。针对其他谐波产生过程Zfm＞Rfm，在滤波器中存在的分流较少，此时只需将谐振次数设置和谐波滤除次数一致，即可将此次谐波分流到滤波器，以消除谐波[2]。

4 案例介绍

4.1 案例背景

某通信站系统400 V低压存在谐波电流，设置低压电容补偿设备过程没有将谐波影响考虑其中，导致进线产生的谐波电流过大，电容器出现损坏问题。同时，电力谐波对交通通信、BAS系统、FAS系统以及AFC系统设备产生干扰，为保证通信站供电系统安全，需要改造无功补偿装置。

4.2 系统改造方案

在通信站低压变电站中，400 V母线位置分别设置无功补偿装置和滤波器，优化无功补偿和谐波治理方案。使用干式电容器、接触器、电抗器以及补偿控制器组成补偿装置，在系统中串接电抗器，并将调谐滤波器分段设置，同时使用空气自动投切滤波器，达到无功补偿标准。使用三相四线并联滤波器，组成补偿回路、电路跟踪、电流计算以及电源系统。在无功补偿、谐波治理等参数选择方面，结合补偿容量、（电容/电抗）器过载性能以及滤波器容量进行综合计算。

4.3 实现过程

在400 V通信系统中设计了多段有源滤波器和调谐滤波器，以提升系统的无功补偿功率因数，保证谐波治理效果。结合通信配电系统中谐波的分布特征，设计过程控制谐波谐振点，吸收谐波产生的非线性负荷电流，同时使用补偿装置阻抗牵引系统中存在的高谐波，防止系统中流入大量谐波电流。结合通信站变电站降压负荷，设计无功补偿容量。使用控制器实现系统电容器自动投切，通过微调功能完成无功补偿，实现了系统运行时功率因数的稳定性。在400 V母线系统中设置补偿容量为180 kvar，并划分成6个自动投切组，结合系统运行要求，使用微调方式进行无功补偿。虽然此系统中安装的无功补偿装置能够控制滤波，但是无法达到治理要求。对此，在系统中并联设置有源滤波器，吸收通信电力系统产生的各种谐波产生反向谐波分量，从而有效抵消谐波[3]。

5 结 论

在通信供电系统中，使用无功补偿可控制系统的功率因数治理谐波，可提高通信传输质量。在电力系统负荷逐渐增加的环境下，针对产生的谐波应采取合理的治理措施。为避免系统运行过程产生谐振问题，需要将电抗器、电容器共同串联在电路中，实现对无功功率的补偿和谐波治理，降低系统能量消耗，提高通信电力系统的运行效率。