何花
安科瑞電氣股份有限公司
摘要：隨著電力電子技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負載大量增加，諧波問題日益突出，導致配電系統(tǒng)中無功補償裝置故障現(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。
關鍵詞：串聯(lián)；電抗器；無功補償；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、安裝維護簡便、投資省等原因而廣泛應用于電力系統(tǒng)。作為無功電力的主要電源，對于電力系統(tǒng)調(diào)相調(diào)壓、穩(wěn)定運行、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，電容裝置安裝投運容量亦迅速增長。同時隨著電力電子技術的廣泛應用，帶整流器的設備如變頻調(diào)速裝置、UPS電源裝置，以及軟起動器、新型節(jié)能電光源等產(chǎn)生高次諧波電流的電氣設備應用越來越多，給電網(wǎng)帶來了嚴重的諧波污染.導致系列的設備問題。如電動機振動、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，常見技術措施如改變變壓器的接線方式；加裝濾波裝置；加裝靜態(tài)(動態(tài))無功補償裝置；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)的單純電容器進行無功補償.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(tǒng)的功率因數(shù)和保證補償電容器的穩(wěn)定運行。
2諧波對補償系統(tǒng)的影響
在無功補償系統(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，補償電容器對電網(wǎng)發(fā)出無功功率，對電網(wǎng)進行無功補償，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。在有背景諧波的系統(tǒng)中。非線性負荷會產(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造成電容器過電流
諧波分流原理圖如圖1所示：
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，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(xiàn)故障。
2.2與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振
當大量的非線性負荷掛網(wǎng)運行時.將在電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重的電壓畸變和電流畸變。此時的諧波源相當于個很大的電流源.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
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n為某次諧波時，電網(wǎng)感抗㈤等于電容器容抗Xc(n)時，形成并聯(lián)諧振，此時并聯(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。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)電抗器對諧波的抑制
電氣設計中多采用在無功補償電容器回路串聯(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，所以可以將諧波看作恒流源。電力系統(tǒng)的簡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(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、小運行方式的短路容量有關。根據(jù)式(4)、(5)可以看出關鍵在于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。無功補償回路串聯(lián)電抗器要實現(xiàn)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，即滿足:
n為主要諧波的低次數(shù)，從上述討論可知，對同系統(tǒng)，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(guī)范))GB50227—2008中指出了串聯(lián)電抗器電抗率的配置標準，簡單概述如下：
(1)當諧波為5次及以上時，電抗率宜取4.5%-5%；
(2)(2)當諧波為3次及以上時，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。在選擇并補裝置串聯(lián)電抗器電抗值參數(shù)時.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。實際調(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，應串5%或6%電抗器，諧振點為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，應串12%或13%電抗器。諧振點為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)電抗器后會帶來些新的問題，如果不注意，同樣會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。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。電容器長期處于過電壓運行下會造成損壞，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相關標準，在高壓系統(tǒng)中3次、5次、7次諧波設計時分別按照基波電壓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，安裝容量與實際輸出容量是不同的，兩者關系可按下式計算：
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?，若單純提高電容器額定電壓。實際運行時，低于額定電壓，會出現(xiàn)無功容量虧損，造成無功補償?shù)牟蛔恪Ｋ栽谶x擇補償電容容量時，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(shù)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(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3次及以上次數(shù)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)過大量運行及經(jīng)驗數(shù)據(jù)，家規(guī)定。需抑制5次及以上次數(shù)的諧波，同時避免對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，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)量的新代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積小，功耗低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?br />
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)部晶閘管復合開關電路，自動尋找投入(切除)點，實現(xiàn)過投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。
7結束語
電容無功補償是提高系統(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，因此無論何時進行無功補償，均不能拋開諧波問題，否則不僅危及電容器的使用安全，危及電網(wǎng)系統(tǒng)的使用安全。串聯(lián)電抗器是無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(tǒng)諧波的抑制有很大的影響同。因此在串聯(lián)電抗器時，須對系統(tǒng)諧波進行測試.選擇正確的電抗率，同時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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[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)設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
趙娜，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。主要從事智能電力電容器產(chǎn)品的研發(fā)與應用
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