呂超群 吳國偉

(杭州市蕭山區(qū)質量計量監(jiān)測中心，杭州 311200)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和電力電子技術的進步，不斷有新的電力電子設備和其他非線性負載接入電網(wǎng)，電網(wǎng)諧波含量逐年增大。無源電力濾波裝置能有效地解決電網(wǎng)諧波電流超標和功率因數(shù)不能達標的雙重問題，并因其技術成熟、設計簡單、價格相對低廉等優(yōu)點得到廣泛應用。

我國于上世紀50年代開始電力濾波技術的研究，經(jīng)過半多個世紀的發(fā)展，我國電力濾波裝置在研制、生產(chǎn)和應用等方面已與國際發(fā)展步伐同步，但至今仍未頒布低壓電力濾波裝置的國家或行業(yè)標準，濾波裝置的功能和濾波效果參差不齊，尤其是無源電力濾波裝置，各生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品性能更是差異明顯。

為此，本文主要研討低壓無源電力濾波裝置的檢驗要求，通過這些項目檢驗能確保濾波裝置的功能和濾波效果滿足各種工況的要求。

1 檢驗項目

低壓無源電力濾波裝置的試驗分為出廠試驗和型式試驗。出廠試驗應包括：結構檢查、電容測量、電抗測量、工頻耐受電壓試驗、放電器件試驗、保護功能試驗、投切試驗、濾波功能試驗和防護等級試驗；型式試驗應包含全部出廠試驗，以及雷電沖擊耐受電壓試驗、溫升試驗、并聯(lián)諧振試驗和短路耐受強度試驗。

2 試驗方法

無源電力濾波裝置具有濾波和無功補償雙重功能，因此，其結構檢查、電容測量、電抗測量、工頻耐受電壓試驗、放電試驗、保護功能試驗、投切試驗、雷電沖擊耐受電壓試驗、溫升試驗、短路耐受強度試驗和防護等級試驗可按照《GB/T 15576—2008.低壓成套無功功率補償裝置》的相關規(guī)定進行[1]。本文僅探討目前相關標準未涉及的濾波功能試驗和并聯(lián)諧振試驗。

2.1 濾波效果試驗

無源電力濾波裝置應滿足電力用戶提出的抑制諧波或濾除諧波，并具有較高性價比的技術要求。

由于不同用電場所諧波次數(shù)和幅值不同，用戶要求也不一致，制造商一般根據(jù)用電場所的諧波數(shù)據(jù)，依據(jù)《GB/T 14549—1993.電能質量 公用電網(wǎng)諧波》中公用電網(wǎng)諧波電壓限值及諧波電流允許值的規(guī)定[2]，與用戶協(xié)商確定裝置抑制諧波或濾除諧波的技術參數(shù)，以滿足用戶的要求。如果僅以文獻[2]中公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值及諧波電流允許值作為檢驗濾波裝置的濾波效果，那么測試結果很難反應不同濾波裝置濾波效果的性能差異。

鑒于，目前濾波效果試驗沒有統(tǒng)一的標準，本文以諧波濾除率這一指標來衡量無源濾波裝置的濾波效果。諧波濾除率是指濾波裝置接入前后，注入系統(tǒng)諧波電流的減少量，按接入前注入系統(tǒng)諧波電流的百分比表示。

諧波濾除率計算式為：

KLn=(In0-In)/In0×100%

式中，In0為未接入濾波裝置時，注入系統(tǒng)的n次諧波電流；In為接入濾波裝置后注入系統(tǒng)的n次諧波電流。

諧波電流和諧波濾除率應取三相的算術平均值。

濾波裝置安裝完畢且諧波源設備正常運行后，進行裝置參數(shù)設置和諧波測試。使用電能質量分析儀，記錄裝置投入前、后的諧波數(shù)據(jù)，并計算諧波濾除率。

裝置型式試驗時，因實驗室試驗變壓器與裝置參數(shù)不能完全匹配，故對3次及以上諧波的濾波回路，其諧波濾除率不應低于60%；現(xiàn)場使用時，因裝置參數(shù)根據(jù)用電系統(tǒng)諧波源配置，故其諧波濾除率應高于70%。達到上述規(guī)定，則裝置能滿足一般電力用戶的諧波治理要求。對于2次濾波回路，其諧波濾除率應滿足用戶的訂貨技術要求。

2.2 并聯(lián)諧振試驗

電力系統(tǒng)中主要諧波源為電流源，其主要特征是外阻抗變化時電流不變。其簡化電路和諧波等效電路如圖1所示。圖中，In為負載的n次諧波電流，ISn為注入電網(wǎng)的n次諧波電流，ICn為濾波裝置吸收的n次諧波電流，nXS為電網(wǎng)對n次諧波的阻抗，XC/n為濾波裝置對n次諧波的容抗，nXL為濾波裝置對n次諧波的感抗。

圖1 用電系統(tǒng)簡化電路及諧波等效電路圖

無源電力濾波裝置通常由RLC電路組成，一般可簡化為LC串聯(lián)電路。設計時，通常使

式中，n為諧波次數(shù)；XL為濾波裝置基波感抗；XC為濾波裝置基波容抗。

這樣濾波設置能有效地吸收n次諧波電流。當諧波次數(shù)大于n時，濾波裝置呈感性；當諧波次數(shù)小于n時，濾波裝置呈容性。因此，當濾波裝置呈容性時存在與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的可能。并聯(lián)諧振時諧波電流被極度放大，其數(shù)值可達到原值的幾十至幾百倍，嚴重危及電網(wǎng)設備的安全運行，產(chǎn)品設計時必須避免濾波裝置與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

并聯(lián)諧振試驗采用等效電路的方法進行[3]。在濾波裝置旁并聯(lián)一只等效電感，測量并聯(lián)電路的諧波阻抗，比較并聯(lián)電路的諧波阻抗和所并聯(lián)電感的諧波阻抗來判斷是否會發(fā)生并聯(lián)諧振。試驗時，所有濾波支路根據(jù)允許的投切組合均應并聯(lián)在一起[4]。

等效電感應為濾波裝置擬接入母線的系統(tǒng)短路容量所折算的等值電感：

式中：LS為等效電感；Uj為濾波裝置接入點系統(tǒng)的平均電壓kV；Sd為濾波裝置接入點系統(tǒng)的短路容量MVA。

為了確保在最大、最小短路容量范圍內(nèi)均不發(fā)生并聯(lián)諧振，等效電感至少應在最大短路、最小短路容量及其平均值三個點取值分別進行試驗。等效電感的基波品質因數(shù)應不小于40。

并聯(lián)諧振的判斷：

1)在n次諧波頻率下測量濾波裝置與等效電感并聯(lián)后的阻抗Zn，測試儀器推薦使用可調頻率的阻抗測試儀。

式中：Zn為濾波裝置與等效電感并聯(lián)后的諧波阻抗；LS為等效電感。

2)濾波補償裝置一般具有過流保護功能，當電流大于一定值(一般不超過1.3倍額定電流)時，濾波支路自動退出用電系統(tǒng)，故并聯(lián)諧振持續(xù)時間比較短(小于1s)。參考文獻[1]規(guī)定對于“容量不小于150kVA的裝置，其主電路的額定短時耐受電流應不小于15kA”。另外，回路電阻對并聯(lián)諧振也有一定的抑制作用，根據(jù)裝置實驗數(shù)據(jù)及運行情況統(tǒng)計分析，容量不大于700kVA的裝置對所有頻率的并聯(lián)諧振放大倍數(shù)(K值)應不大于8，容量大于700kVA的裝置對所有頻率的并聯(lián)諧振放大倍數(shù)(K值)應不大于5，則能保證用電系統(tǒng)及濾波裝置的安全運行[5]。

3 結論

本文提出了低壓無源電力濾波裝置的試驗項目及方法，重點闡述了濾波效果試驗和并聯(lián)諧振試驗的檢驗方法，是筆者與參濾波裝置試驗和多年研究的總結，希望有助于低壓無源電力濾波裝置制造廠體會商的產(chǎn)品設計、試驗以及用戶的產(chǎn)品選型。

按本文闡述的試驗項目和方法檢驗合格的低壓無源電力濾波裝置，現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，濾波效果良好。

[1] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB/T 15576—2008.低壓成套無功功率補償裝置[S].北京：中國標準出版社，2008

[2] 國家技術監(jiān)督局.GB/T 14549—1993.電能質量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標準出版社，1993

[3] Q/GDW 566-2010.高壓無源電力濾波裝置驗收規(guī)范[S].河北：河北省電力公司，2006.

[4] 楊超，陳娟，祁欣.IIR數(shù)字濾波器在磁彈噪訊檢測中的應用[J]. 計量技術，2009(3)

[5] CNCA 01C-20011-2001. 電氣電子產(chǎn)品強制性認證實施規(guī)則 低壓電器 開關和控制設備[S].北京：中國國家認證認可監(jiān)督管理委員會，2007