吳 濤

（重慶市電力公司北碚供電局，重慶 400711）

電網(wǎng)諧波對(duì)無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器的運(yùn)行有較大影響，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器的運(yùn)行電流增大，溫升增高，引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。疊加在電容器基波電壓上的諧波電壓，不僅使電容器運(yùn)行電壓的有效值增大，而且可能使峰值電壓增大很多，使電容器在運(yùn)行中發(fā)生局部放電不能熄滅，這是電容器損壞的一個(gè)主要原因。另外，無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器對(duì)諧波電流還具有放大作用，電容器對(duì)諧波電流放大一般為2—3倍，諧振時(shí)可達(dá)20倍以上。因此，有必要對(duì)電網(wǎng)諧波與無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器之間的相互影響機(jī)理進(jìn)行分析，正確認(rèn)識(shí)諧波對(duì)無功補(bǔ)償裝置的影響和無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器對(duì)諧波電流的放大作用，合理地配置電容器和電抗器，保證無功補(bǔ)償裝置和整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生及其影響

在工業(yè)和民用建筑電氣設(shè)備中，有許多非線性負(fù)載，這些非線性負(fù)載能產(chǎn)生各次的高次諧波，被稱為諧波電流源。公用電網(wǎng)中的諧波源主要是各種電力電子裝置（含家用電器、計(jì)算機(jī)等的電源部分）、變壓器、發(fā)電機(jī)、電弧爐和熒光燈等。工業(yè)用電系統(tǒng)中，大多數(shù)為三相負(fù)載，其三相整流裝置所產(chǎn)生的特征諧波主要是5次及5次以上的高次諧波，而在民用建筑電氣設(shè)備中，多數(shù)為單相負(fù)載。這些單相整流裝置產(chǎn)生的特征諧波主要是3次及3次以上的特征諧波。另外由于變壓器磁化曲線的非線性，其勵(lì)磁電流也含有高次諧波分量，其主要是3次諧波和5次諧波。

諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)對(duì)公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對(duì)周圍的通訊系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。諧波的危害有很多方面，如諧波電流會(huì)使輸電損耗變大，使電動(dòng)機(jī)過熱和運(yùn)行不穩(wěn)定，造成繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作等。這里我們主要討論非線性負(fù)載所產(chǎn)生的高次諧波電流對(duì)無功補(bǔ)償電容器的影響。

各次諧波與正弦波的基波合成結(jié)果就是一個(gè)非正弦波，這就是通常所說的畸變波形。這些畸變波形對(duì)并聯(lián)電容器的影響很大，當(dāng)電容器的端電壓為非正弦波時(shí)，會(huì)在電容器介質(zhì)中產(chǎn)生附加的有功損耗，就產(chǎn)生了額外發(fā)熱，使電容器溫度升高。電壓波形的畸變還會(huì)加速電容器介質(zhì)的老化；另外，電容器在諧波頻率下的容抗比在基波頻率下小很多倍而電網(wǎng)中的變壓器在諧波頻率下的感抗比在基波頻率下大很多倍，導(dǎo)致諧波電流大部分流入并聯(lián)電容器，會(huì)造成電容器過負(fù)荷，甚至燒毀并聯(lián)電容器。

2 諧波的放大現(xiàn)象

在配電系統(tǒng)中常常會(huì)出現(xiàn)這種情況，當(dāng)并聯(lián)電容器投入運(yùn)行時(shí)，會(huì)使并聯(lián)電容器回路中流入的諧波電流大于非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流，這就是所謂的諧波放大現(xiàn)象。

現(xiàn)在我們用供電系統(tǒng)與并聯(lián)電容器的簡化電路來進(jìn)行分析，見圖1。(簡化電路的前提是：線性負(fù)載的阻抗比系統(tǒng)阻抗大很多，因此線性負(fù)載支路的分流很少，為了簡化起見在簡化電路中忽略了線性負(fù)載支路。)圖中，In為諧波源的n次諧波電流；Isn為進(jìn)入電網(wǎng)的諧波電流； Icn為進(jìn)入電容器的諧波電流。

如圖所示，忽略系統(tǒng)的n次諧波電阻Rsn，則

圖1a 系統(tǒng)圖

圖1b n次諧波電流等效電路

式中：Xsn ——n次諧波電抗(Ω)，Xsn=nXs；

Xs ——工頻短路電抗(Ω)；

Xc ——并聯(lián)電容器基波電抗(Ω)。

上述分析表明，當(dāng)為提高系統(tǒng)功率因數(shù)而進(jìn)行電容無功補(bǔ)償時(shí)，如果電容補(bǔ)償裝置參數(shù)選擇不當(dāng)，就可能產(chǎn)生電容器諧波電流放大或諧振現(xiàn)象，致使電容器因長時(shí)間處于過負(fù)荷工作情況下而燒毀，或者工作在過電壓的情況下而擊穿。

3 抑制方法

3.1 抑制并聯(lián)電容器諧波電流的方法

由前述分析可知，在有諧波源的系統(tǒng)中，單獨(dú)使用電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，會(huì)造成諧波電流通過并聯(lián)電容器使其過載。為防止這種情況發(fā)生，一般采取以下三種方式抑制并聯(lián)電容器諧波電流：

減少使用或不使用產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備；

（2）改變電網(wǎng)的參數(shù)；

（3）在并聯(lián)電容器支路中串聯(lián)一個(gè)電抗器。

上述三種方法中只有第三種是切實(shí)可行的，也就是在并聯(lián)電容器支路中串聯(lián)電抗器，用來抑制流向并聯(lián)電容器中的諧波電流。現(xiàn)在我們用圖2 來分析串聯(lián)電抗器之后的情況。

如圖2 所示，串接電抗器之后，Isn和Icn變?yōu)椋?/p>

圖2a 串聯(lián)電抗器后的系統(tǒng)圖

圖2b 串聯(lián)電抗器的次諧波電流等效電路

式中：XL——串聯(lián)電抗器的基波電抗(Ω)。

當(dāng)nXL-(Xc/n) >0時(shí)，此時(shí)支路成感性，In電流是在兩個(gè)感性支路間分配，所以Isn和Icn均小于In，這就有效防止了n次諧波被放大。

3.2 串聯(lián)電抗器的參數(shù)選擇

3.2.1 串聯(lián)電抗器的電抗率計(jì)算

電抗率就是串聯(lián)電抗器的感抗與并聯(lián)電容器的容抗之比，用百分?jǐn)?shù)表示。在無功補(bǔ)償并聯(lián)電容器回路中串聯(lián)一組電抗器，其感抗值的選擇應(yīng)使在可能產(chǎn)生的各次諧波下均使電容器回路中的總阻抗為感性，而不是容性，這就從根本上消除了產(chǎn)生諧波的可能。串聯(lián)電抗器感抗的計(jì)算如下：

式中：XL ——串聯(lián)電抗器的工頻感抗(Ω)；

n——可能產(chǎn)生的最低次諧波次數(shù)；

K ——可靠系數(shù)(一般取1.2 ～ 1.5)；

X ——補(bǔ)償并聯(lián)電容器的工頻容抗(Ω)。

在《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50227-95 中，對(duì)于抑制次諧波的串聯(lián)電抗器的電抗率都有推薦值。例如，抑制5次諧波的串聯(lián)電抗器推薦的電抗率為0.06，抑制3次諧波的串聯(lián)電抗器推薦的電抗率為0.12。

3.2.2 串抗器與電容器額定電壓的匹配問題

當(dāng)無功補(bǔ)償電容器支路串聯(lián)電抗器之后，會(huì)使并聯(lián)電容器的端電升高。根據(jù)《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.2.2.3條規(guī)定：電容器端子運(yùn)行電壓應(yīng)計(jì)入接入串聯(lián)電抗器引起的電容器運(yùn)行電壓升高，其端電壓升高值按下式計(jì)算：

式中：Uc——電容器端子運(yùn)行電壓(kV)；

S——電容器組每相串聯(lián)段數(shù)；

Us——并聯(lián)電容器裝置母線電壓(kV)；

K——串抗的電抗率(%)，k=XL/XC 。

按《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，變電站母線電壓有一定的允許范圍。例如，變電站10kV母線電壓合格范圍應(yīng)為10～10.7kV。所以，串聯(lián)電抗器的電抗率的選擇還要與電容器的額定電壓和母線電壓的允許范圍相匹配。除此之外，還要注意電抗率對(duì)諧振點(diǎn)諧波次數(shù)的影響，要使串抗器參數(shù)的選擇避免使并聯(lián)和串聯(lián)諧振點(diǎn)及諧波電流嚴(yán)重放大區(qū)的諧波次數(shù)接近該系統(tǒng)主要諧波源的諧波次數(shù)。

結(jié)語

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中諧波污染問題已經(jīng)越來越嚴(yán)重，而由諧波所引起的諸如變壓器升溫、電纜燒毀、通信干擾、UPS燒毀以及無功補(bǔ)償電容器經(jīng)常出現(xiàn)的燒毀或無法正常投切等故障，已經(jīng)引起電力工作者的高度重視。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，都不能拋開諧波問題而孤立地討論補(bǔ)償，否則補(bǔ)償系統(tǒng)將無安全性可言。同時(shí)，并聯(lián)無功補(bǔ)償裝置的參數(shù)選擇也至關(guān)重要，應(yīng)進(jìn)行定量分析。只有參數(shù)選擇得當(dāng)，才能保證無功補(bǔ)償裝置起到應(yīng)有作用的同時(shí)更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行。

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