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(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統中非線(xiàn)性負載大量增加，諧波問(wèn)題日益突出，導致配電系統中無(wú)功補償裝置故障現象頻繁出現。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象。本文分析了無(wú)功補償回路中串聯(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(wú)功補償；諧波電抗率

1引言

       并聯(lián)電容補償裝置由于容量組合靈活、安裝維護簡(jiǎn)便、投資省等原因而廣泛應用于電力系統。作為無(wú)功電力的主要電源，對于電力系統調相調壓、穩定運行、改善電能質(zhì)量和降損節能具有重要作用。隨著(zhù)電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電容裝置安裝投運容量亦迅速增長(cháng)。同時(shí)隨著(zhù)電力電子技術(shù)的廣泛應用，帶整流器的設備如變頻調速裝置、UPS電源裝置，以及軟起動(dòng)器、新型節能電光源等產(chǎn)生高次諧波電流的電氣設備應用越來(lái)越多，給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴重的諧波污染．導致一系列的設備問(wèn)題。如電動(dòng)機振動(dòng)、發(fā)熱，變壓器產(chǎn)生附加損耗，使容性回路過(guò)電流，干擾通訊，電子設備誤觸發(fā)等等。因此，對諧波的污染須予以重視。抑制諧波的措施很多，常見(jiàn)技術(shù)措施如改變變壓器的接線(xiàn)方式；加裝濾波裝置；加裝靜態(tài)(動(dòng)態(tài))無(wú)功補償裝置；在電容回路加裝串聯(lián)電抗器等等。

       目，國內很多用電單位使用傳統的單純電容器進(jìn)行無(wú)功補償．其補償裝置的運行受到嚴重威脅，電力電容器的故障率越來(lái)越高。本文主要探討給電容器加裝串聯(lián)電抗器以達到抑制諧波的對策，避免電容器與電網(wǎng)產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而改善系統的功率因數和保證補償電容器的穩定運行。

2諧波對補償系統的影響

       在無(wú)功補償系統中，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的感抗大很多，補償電容器對電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率，對電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補償，提高了系統的功率因數。在有背景諧波的系統中。非線(xiàn)性負荷會(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行。

2.1造成電容器過(guò)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，從而導致Xs(n)大及Xc(n)減少，從而導致諧波電流大量涌入電容器。假設電容器工作運行在滿(mǎn)載電流，若加上諧波電流后．電容器運行電流大于1．3倍的額定電流，電容器將出現故障。

2.2與系統產(chǎn)生并聯(lián)諧振

       當大量的非線(xiàn)性負荷掛網(wǎng)運行時(shí)．將在電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的電壓畸變和電流畸變。此時(shí)的諧波源相當于一個(gè)很大的電流源．其產(chǎn)生的諧波電流加在系統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一部分流經(jīng)Xs(n)，一部分流經(jīng)Xc(n)，回路阻抗為:

       當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(wú)窮大。諧波電流流經(jīng)阻抗無(wú)限大的回路時(shí)。將產(chǎn)生無(wú)限大的諧波電壓．無(wú)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)電抗器對諧波的抑制

       電氣設計中多采用在無(wú)功補償電容器回路串聯(lián)電抗器來(lái)抑制諧波。諧波源從電力系統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(wú)關(guān)，所以可以將諧波看作恒流源。電力系統的簡(jiǎn)化電路和諧波等效電路如圖3、4所示閉：

       圖中In為諧波用電設備，X8為系統基波阻抗，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，流入供電系統的諧波電流I為：

       流入并補裝置的諧波電流I_Cn為：

       nXs為系統諧波阻抗與系統大、小運行方式的短路容量有關(guān)。根據式(4)、(5)可以看出關(guān)鍵在于Xl與Xc的取值，現就典型情況討論如下(見(jiàn)表1)。

       由表1可知。無(wú)功補償回路串聯(lián)電抗器要實(shí)現對諧波電流的抑制，須使回路電抗對諧波源產(chǎn)生的低次諧波電呈電感性，即滿(mǎn)足:

       n為主要諧波的低次數，從上述討論可知，對同一系統，由于K值不同，其運行狀況截然不同，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)電容器裝置設計規范))GB50227—2008中指出了串聯(lián)電抗器電抗率的配置標準，簡(jiǎn)單概述如下：

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

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

       (3)(3)根據電網(wǎng)條件與電容器參數，亦可采用4．5％～5％與12％兩種電抗率混裝。在選擇并補裝置串聯(lián)電抗器電抗值參數時(shí)．一定首先研究一下．供電系統中具有什么樣的主要諧波次數范圍，然后確定其電抗值的百分比，要避開(kāi)可能出現的諧波放大區域。

       由式(6)可得：

       式中w為基波角速度,w=2πf=100π

       此時(shí)。實(shí)際調諧頻率為：

       由式(7)可知，如系統背景諧波以5次諧波為主，應串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)；如系統背景諧波以3次諧波為主，應串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(wèn)題

       串聯(lián)電抗器后會(huì )帶來(lái)些新的問(wèn)題，如果不注意，同樣會(huì )對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(cháng)期處于過(guò)電壓運行下會(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IEC相關(guān)標準，在高壓系統中3次、5次、7次諧波設計時(shí)分別按照基波電壓0．3％、3％、3％考慮，低壓系統分別按0．5％、5％、5％考慮。以低壓400V系統，串聯(lián)6％電抗率的電抗器為例，計算電容器額定電壓：

即電容器的額定電壓為470V以上才是可靠的。

5.2電容器補償容量選擇

       串聯(lián)相應電抗器以及確定補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為電容器運行電壓，U為電容器額定電壓，K為電抗率?？梢?jiàn)，若單純提高電容器額定電壓。實(shí)際運行時(shí)，低于額定電壓，會(huì )出現無(wú)功容量虧損，造成無(wú)功補償的不足。所以在選擇補償電容容量時(shí)，應考慮串聯(lián)電抗器造成的電容器輸出容量的變化．并應留有部分裕量。

5.3提高功率因數及相應地減少電費

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

        即6％串聯(lián)電抗器抑制5次及以上次數的諧波。而對3次及以上次數的諧波電流的放大程度非常嚴重，從而導致電容器組損壞。因此經(jīng)過(guò)大量運行及經(jīng)驗數據，國家規定。需抑制5次及以上次數的諧波，同時(shí)避免對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(wèn)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。針對某種背景諧波，選擇串聯(lián)電抗率時(shí)，首先要研究一下，供電系統中具有什么樣的主要諧波次數范圍，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用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開(kāi)關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。具有體積小，功耗低，維護方便，使用壽命長(cháng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的高要求。

        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(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過(guò)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現過(guò)零投切，具有過(guò)壓保護、缺相保護、過(guò)諧保護、過(guò)溫保護等保護功能。

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(wú)功補償裝置智能電容方案

7結束語(yǔ)

       電容無(wú)功補償是提高系統功率因數、降低電網(wǎng)無(wú)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(wú)論何時(shí)進(jìn)行無(wú)功補償，均不能拋開(kāi)諧波問(wèn)題，否則不僅危及電容器的使用安全，危及電網(wǎng)系統的使用安全。串聯(lián)電抗器是無(wú)功補償電容器組的重要組成部分。電抗率的選擇對并聯(lián)電容器的運行及對系統諧波的抑制有很大的影響同。因此在串聯(lián)電抗器時(shí)，須對系統諧波進(jìn)行測試．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的提高。

參考文獻

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