淺談低壓并聯(lián)電容器組串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用

摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載大量增加，諧波問題日益突出，導(dǎo)致配電系統(tǒng)中無功補(bǔ)償裝置故障現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)。為了抑制高次諧波的危害，在電容器回路中串聯(lián)電抗器可以防止諧波放大現(xiàn)象。本文分析了無功補(bǔ)償回路中串聯(lián)電抗器抑制諧波的原理，提出電抗率的選擇與串聯(lián)電抗器后電容器組的選擇要求。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)；電抗器；無功補(bǔ)償；諧波電抗率

1引言

       并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置由于容量組合靈活、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、投資省等原因而廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。作為無功電力的主要電源，對(duì)于電力系統(tǒng)調(diào)相調(diào)壓、穩(wěn)定運(yùn)行、改善電能質(zhì)量和降損節(jié)能具有重要作用。隨著電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電容裝置安裝投運(yùn)容量亦迅速增長(zhǎng)。同時(shí)隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，帶整流器的設(shè)備如變頻調(diào)速裝置、UPS電源裝置，以及軟起動(dòng)器、新型節(jié)能電光源等產(chǎn)生高次諧波電流的電氣設(shè)備應(yīng)用越來越多，給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染．導(dǎo)致系列的設(shè)備問題。如電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、發(fā)熱，變壓器產(chǎn)生附加損耗，使容性回路過電流，干擾通訊，電子設(shè)備誤觸發(fā)等等。因此，對(duì)諧波的污染須予以重視。抑制諧波的措施很多，常見技術(shù)措施如改變變壓器的接線方式；加裝濾波裝置；加裝靜態(tài)(動(dòng)態(tài))無功補(bǔ)償裝置；在電容回路加裝串聯(lián)電抗器等等。

       目，內(nèi)很多用電單位使用傳統(tǒng)的單純電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償．其補(bǔ)償裝置的運(yùn)行受到嚴(yán)重威脅，電力電容器的故障率越來越高。本文主要探討給電容器加裝串聯(lián)電抗器以達(dá)到抑制諧波的對(duì)策，避免電容器與電網(wǎng)產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而改善系統(tǒng)的功率因數(shù)和保證補(bǔ)償電容器的穩(wěn)定運(yùn)行。

2諧波對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的影響

       在無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，電網(wǎng)以感抗為主，電容器回路以容抗為主。在工頻條件下，并聯(lián)電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大很多，補(bǔ)償電容器對(duì)電網(wǎng)發(fā)出無功功率，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。在有背景諧波的系統(tǒng)中。非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，引起電壓及電流波形畸變。影響電力電容器的正常運(yùn)行。

2.1造成電容器過電流

       諧波分流原理圖如圖1所示：

圖1諧波分流示意圖

        n次諧波下變壓器阻抗：

       Xs(n)=2πf(n)L(1)

       n次諧波下電容器阻抗：

       Xc(n)=1／2πf(n)L(2)

       存在高次諧波時(shí)，由于f(n)的大，從而導(dǎo)致Xs(n)大及Xc(n)減少，從而導(dǎo)致諧波電流大量涌入電容器。假設(shè)電容器工作運(yùn)行在滿載電流，若加上諧波電流后．電容器運(yùn)行電流大于1．3倍的額定電流，電容器將出現(xiàn)故障。

2.2與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振

       當(dāng)大量的非線性負(fù)荷掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)．將在電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓畸變和電流畸變。此時(shí)的諧波源相當(dāng)于個(gè)很大的電流源．其產(chǎn)生的諧波電流加在系統(tǒng)感抗和電容器的容抗之間，形成并聯(lián)回路如圖2所示。

圖2并聯(lián)諧振原理圖

從圖中可以看出諧波電流部分流經(jīng)Xs(n)，部分流經(jīng)Xc(n)，回路阻抗為:

       當(dāng)n為某次諧波時(shí)，電網(wǎng)感抗㈤等于電容器容抗Xc(n)時(shí)，形成并聯(lián)諧振，此時(shí)并聯(lián)回路總阻抗等于無窮大。諧波電流流經(jīng)阻抗無限大的回路時(shí)。將產(chǎn)生無限大的諧波電壓．無限大的諧波電壓將在電網(wǎng)和電容器間產(chǎn)生大電流。造成電容器故障。

3串聯(lián)電抗器對(duì)諧波的抑制

       電氣設(shè)計(jì)中多采用在無功補(bǔ)償電容器回路串聯(lián)電抗器來抑制諧波。諧波源從電力系統(tǒng)中吸收的畸變電流可分解為基波分量和諧波分量，其諧波分量與基波分量和供電網(wǎng)的阻抗無關(guān)，所以可以將諧波看作恒流源。電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路和諧波等效電路如圖3、4所示閉：

       圖中In為諧波用電設(shè)備，X8為系統(tǒng)基波阻抗，X8為串聯(lián)電抗器基波阻抗，XL為電容器基波阻抗，在n次諧波條件下諧波阻抗分別為：Xs(n)=nXs；XL(n)=nXL；Xc(n)=Xc/n。

       從等效電路阻抗圖4可得，流入供電系統(tǒng)的諧波電流I為：

       流入并補(bǔ)裝置的諧波電流I_Cn為：

       nXs為系統(tǒng)諧波阻抗與系統(tǒng)大、小運(yùn)行方式的短路容量有關(guān)。根據(jù)式(4)、(5)可以看出關(guān)鍵在于Xl與Xc的取值，現(xiàn)就典型情況討論如下(見表1)。

       由表1可知。無功補(bǔ)償回路串聯(lián)電抗器要實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的抑制，須使回路電抗對(duì)諧波源產(chǎn)生的低次諧波電呈電感性，即滿足:

       n為主要諧波的低次數(shù)，從上述討論可知，對(duì)同系統(tǒng)，由于K值不同，其運(yùn)行狀況截然不同，因此正確選擇電抗器電抗率K值是十分重要的。

4電抗率的選擇

       在《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范))GB50227—2008中指出了串聯(lián)電抗器電抗率的配置標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單概述如下：

       (1)當(dāng)諧波為5次及以上時(shí)，電抗率宜取4．5％-5％；

       (2)(2)當(dāng)諧波為3次及以上時(shí)，電抗率宜取l2％；

       (3)(3)根據(jù)電網(wǎng)條件與電容器參數(shù)，亦可采用4．5％～5％與12％兩種電抗率混裝。在選擇并補(bǔ)裝置串聯(lián)電抗器電抗值參數(shù)時(shí)．定先研究下．供電系統(tǒng)中具有什么樣的主要諧波次數(shù)范圍，然后確定其電抗值的百分比，要避開可能出現(xiàn)的諧波放大區(qū)域。

       由式(6)可得：

       式中w為基波角速度,w=2πf=100π

       此時(shí)。實(shí)際調(diào)諧頻率為：

       由式(7)可知，如系統(tǒng)背景諧波以5次諧波為主，應(yīng)串5％或6％電抗器，諧振點(diǎn)為224Hz或204Hz(可避免產(chǎn)生大于5次諧波250Hz的諧振)；如背景諧波以4次諧波為主，應(yīng)串7％或8％的電抗器．諧振點(diǎn)為189Hz或177Hz(可避免產(chǎn)生大于4次諧波200Hz的諧振)；如系統(tǒng)背景諧波以3次諧波為主，應(yīng)串12％或13％電抗器。諧振點(diǎn)為144Hz或139Hz(可避免產(chǎn)生大于3次諧波150Hz的諧振)。

5串聯(lián)電抗器后需注意的問題

       串聯(lián)電抗器后會(huì)帶來些新的問題，如果不注意，同樣會(huì)對(duì)電容器的使用造成危害。

5.1降低電網(wǎng)中的功率損耗

       正確選擇串聯(lián)電抗器電抗率的同時(shí)。須考慮并聯(lián)電容器額定電壓的選取。串聯(lián)電抗器后，并聯(lián)電容器兩端電壓被抬升。電容器長(zhǎng)時(shí)間處于過電壓運(yùn)行下會(huì)造成損壞，故電容器額定電壓的選取按下式確定：

       其中，U為電容器額定電壓，U為系統(tǒng)電壓，U吼為串聯(lián)電抗器后電容兩端電壓，U為電容兩端諧波電壓，K為電抗率。根據(jù)IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在高壓系統(tǒng)中3次、5次、7次諧波設(shè)計(jì)時(shí)分別按照基波電壓0．3％、3％、3％考慮，低壓系統(tǒng)分別按0．5％、5％、5％考慮。以低壓400V系統(tǒng)，串聯(lián)6％電抗率的電抗器為例，計(jì)算電容器額定電壓：

即電容器的額定電壓為470V以上才是可靠的。

5.2電容器補(bǔ)償容量選擇

       串聯(lián)相應(yīng)電抗器以及確定補(bǔ)償電容器額定電壓后，安裝容量與實(shí)際輸出容量是不同的，兩者關(guān)系可按下式計(jì)算：

        式中Q為電容器輸出容量，Q為電容器安裝容量，U為電容器運(yùn)行電壓，U為電容器額定電壓，K為電抗率。可見，若單純提高電容器額定電壓。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，低于額定電壓，會(huì)出現(xiàn)無功容量虧損，造成無功補(bǔ)償?shù)牟蛔恪Ｋ栽谶x擇補(bǔ)償電容容量時(shí)，應(yīng)考慮串聯(lián)電抗器造成的電容器輸出容量的變化．并應(yīng)留有部分裕量。

5.3提高功率因數(shù)及相應(yīng)地減少電費(fèi)

        由式(6)可得，如串聯(lián)電抗器電抗率為6％，則并補(bǔ)回路的抑制諧波的低次數(shù)為：

        即6％串聯(lián)電抗器抑制5次及以上次數(shù)的諧波。而對(duì)3次及以上次數(shù)的諧波電流的放大程度非常嚴(yán)重，從而導(dǎo)致電容器組損壞。因此經(jīng)過大量運(yùn)行及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，家規(guī)定。需抑制5次及以上次數(shù)的諧波，同時(shí)避免對(duì)3次以上諧波的放大，電抗率可選為4．5％。另外，為了解決3次諧波放大問題，有的變電站的電容器組并非每組都串聯(lián)6％電抗器，而是有幾組串6％電抗器，另外幾組串12％或13％電抗器。針對(duì)某種背景諧波，選擇串聯(lián)電抗率時(shí)，先要研究下，供電系統(tǒng)中具有什么樣的主要諧波次數(shù)范圍，然后確定其電抗值的百分比，避免發(fā)生并聯(lián)、串聯(lián)諧振，以及諧波放大現(xiàn)象。

6安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹

6.1產(chǎn)品概述

        AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

        AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)尋找投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

6.2產(chǎn)品選型

        AZC系列智能電容器選型：

       AZCL系列智能電容器選型：

6.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模塊       AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案

7結(jié)束語

       電容無功補(bǔ)償是提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)無功損耗的重要手段，由于電網(wǎng)都存在不同程度的諧波，因此無論何時(shí)進(jìn)行無功補(bǔ)償，均不能拋開諧波問題，否則不僅危及電容器的使用安全，更危及電網(wǎng)系統(tǒng)的使用安全。串聯(lián)電抗器是無功補(bǔ)償電容器組的重要組成部分。電抗率的選擇對(duì)并聯(lián)電容器的運(yùn)行及對(duì)系統(tǒng)諧波的抑制有很大的影響同。因此在串聯(lián)電抗器時(shí)，須對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行測(cè)試．選擇正確的電抗率，同時(shí)電容器的額定電壓和安裝容量要作相應(yīng)的提高。

參考文獻(xiàn)

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[2]徐海林.低壓并聯(lián)電容器組串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版．

作者簡(jiǎn)介：繆建梅，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要從事電氣防火限流式保護(hù)器的研發(fā)與應(yīng)用