并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置因其容量組合靈活、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、投資少而被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。作為無(wú)功電力的主要電源，在電力系統(tǒng)調(diào)相調(diào)壓、穩(wěn)定運(yùn)行、提高電能質(zhì)量、降低損耗和節(jié)能方面發(fā)揮著重要作用。伴隨著電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電容裝置的安裝投運(yùn)容量也迅速增加。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、軟啟動(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(lái)越多，給電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重的諧波污染，導(dǎo)致一系列設(shè)備問(wèn)題。例如電機(jī)振動(dòng)、發(fā)熱、變壓器附加損耗、容性電路過(guò)電流、干擾通信、電子設(shè)備誤觸發(fā)等。因此，必須重視諧波污染。抑制諧波的措施有很多，比如改變變壓器的接線方式；安裝濾波裝置；安裝靜態(tài)(動(dòng)態(tài))無(wú)功補(bǔ)償裝置；在電容電路中安裝串聯(lián)電抗器等。

引文作者:上海蓋能電氣市場(chǎng)部（專注干式變壓器30年）

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目前，我國(guó)許多用電單位使用傳統(tǒng)的單純電容器進(jìn)行無(wú)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(lái)越高。本文主要探討在電容器上安裝串聯(lián)電抗器，以抑制諧波，避免電容器與電網(wǎng)串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，保證補(bǔ)償電容器的穩(wěn)定運(yùn)行。

一、諧波對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的影響

無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中，電網(wǎng)以感抗為主，電容電路以容抗為主。在工頻條件下，并聯(lián)電容器的容抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的感抗。補(bǔ)償電容器向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。系統(tǒng)中有背景諧波。非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流注入電網(wǎng)，導(dǎo)致電壓和電流波形畸變。影響電力電容器的正常運(yùn)行。

1.1電容器過(guò)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次諧波下電容阻抗：

XC(n)=1/2πf(n)L(2)

當(dāng)存在高次諧波時(shí)，由于f(n)增大，XS(n)增大，XC(n)減少，導(dǎo)致大量諧波電流涌入電容器。假定電容器在滿載電流下工作，如果加上諧波電流，電容器的額定電流大于1.3倍，電容器就會(huì)出現(xiàn)故障。

1.2與系統(tǒng)并聯(lián)諧振

當(dāng)大量非線性負(fù)荷掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的電壓畸變和電流畸變。此時(shí)，諧波源相當(dāng)于一個(gè)大型電流源，其產(chǎn)生的諧波電流加入系統(tǒng)感抗和電容器容抗之間，并聯(lián)電路如圖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(dāng)n為諧波時(shí)，電網(wǎng)感抗等于電容器容抗XC(n)，形成并聯(lián)諧振，并聯(lián)電路總阻抗等于無(wú)限大。當(dāng)諧波電流流經(jīng)阻抗無(wú)限的電路時(shí)。它會(huì)產(chǎn)生無(wú)限的諧波電壓，在電網(wǎng)和電容器之間產(chǎn)生大電流，導(dǎo)致電容器故障。

二、串聯(lián)電抗器對(duì)諧波的抑制

無(wú)功補(bǔ)償電容器電路串聯(lián)電抗器多用于電氣設(shè)計(jì)，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，與基波分量和供電網(wǎng)阻抗無(wú)關(guān)，因此諧波可視為恒流源。電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化電路和諧波等效電路如圖3、4所示:

圖中In為諧波電氣設(shè)備，XS為系統(tǒng)基波阻抗，XL為串聯(lián)電抗器基波阻抗，XC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可以得到，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ICn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)。從公式(4)、(5)可以看出，關(guān)鍵在于XL和XC的取值，現(xiàn)就典型情況討論如下(見(jiàn)表1)。

從表1可以看出。為了抑制諧波電流，無(wú)功補(bǔ)償電路串聯(lián)電抗器必須使電路電抗對(duì)諧波源產(chǎn)生的低次諧波電具有電感性，即滿足：

n是主要諧波的低次數(shù)。從上面的討論可以看出，對(duì)于同一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于k值不同，其運(yùn)行狀態(tài)也不同，所以正確選擇電抗器的電抗率k值非常重要。

三、電抗率的選擇

《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50227-2017中指出了串聯(lián)電抗器電抗率的配置標(biāo)準(zhǔn)：用于抑制諧波時(shí)，電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電容器裝置與電網(wǎng)相連的背景諧波含量的測(cè)量值進(jìn)行選擇。當(dāng)諧波超過(guò)5次時(shí)，電抗率應(yīng)為5.0%；當(dāng)諧波超過(guò)3次時(shí)，電抗率應(yīng)為12.0%，也可采用5.0%和12.0%的混合電抗率。

因此，在選擇和補(bǔ)充裝置串聯(lián)電抗器電抗值參數(shù)時(shí)，首先要研究供電系統(tǒng)中主要諧波次數(shù)的范圍，然后確定其電抗值的百分比，避開(kāi)可能的諧波放大區(qū)域。

可得式(6)：

ω為基波角速度，ω=2πf=100π

這時(shí)。實(shí)際調(diào)諧頻率為:

從公式(7)可以看出，如果系統(tǒng)背景諧波主要是5次諧波，則應(yīng)串5%或6%電抗器，諧振點(diǎn)為224Hz或204Hz(可避免5次諧波以上250Hz的諧振)；如果背景諧波主要是4次諧波，則應(yīng)串7%或8%電抗器.諧振點(diǎn)為189Hz或177Hz(可避免4次諧波以上200Hz的諧振)；如果系統(tǒng)背景諧波主要是3次諧波，則應(yīng)串12%或13%電抗器。諧振點(diǎn)為144Hz或139Hz(可避免諧次以上諧波150Hz的諧振)。

四、串聯(lián)電抗器后應(yīng)注意的問(wèn)題

串聯(lián)電抗器會(huì)帶來(lái)一些新的問(wèn)題。如果不注意，也會(huì)對(duì)電容器的使用造成危害。

4.1選擇電容器的額定電壓

在選擇電容器的額定電壓時(shí)，應(yīng)考慮電容器組投入運(yùn)行后的預(yù)期母線運(yùn)行電壓。為使電容器擇電容器的額定電壓，達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的目的，在分析電容器的預(yù)期運(yùn)行電壓時(shí)，應(yīng)考慮以下情況:

(1)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)后電網(wǎng)電壓升高；

(2)諧波引起的電網(wǎng)電壓升高；

(3)安裝電抗器導(dǎo)致電容器端子電壓升高；

(4)相間和串聯(lián)段之間的容差會(huì)導(dǎo)致電壓分配不均勻，增加部分電容器所承受的電壓；

(5)輕負(fù)荷導(dǎo)致電網(wǎng)電壓升高。

因此，綜合考慮后，電容器額定電壓的選擇按下式確定:

其中UCN是單個(gè)電容器的額定電壓，USN是接入點(diǎn)系統(tǒng)的電壓，S是電容器組每相的串聯(lián)段數(shù)，K是電抗率。以低壓400V系統(tǒng)和串聯(lián)電抗率6%的電抗器為例，計(jì)算電容器額定電壓Uc=446.8V，即電容器額定電壓應(yīng)考慮450V以上。

4.2選擇電容器補(bǔ)償容量

串聯(lián)相應(yīng)的電抗器，確定補(bǔ)償電容器的額定電壓后，安裝容量不同于實(shí)際輸出容量，兩者的關(guān)系可以按下式計(jì)算:

Q1是電容器的輸出容量，Q2是電容器的安裝容量，U2是電容器的運(yùn)行電壓，U1是電容器的額定電壓，K是電抗率?？梢钥闯?，如果僅僅提高電容器的額定電壓。在實(shí)際操作中，如果低于額定電壓，就會(huì)出現(xiàn)無(wú)功容量損失，導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償不足。因此，在選擇補(bǔ)償電容時(shí)，應(yīng)考慮串聯(lián)電抗器引起的電容輸出容量的變化，并保留部分裕量。

4.3諧波放大

可以通過(guò)式(6)得到，如果串聯(lián)電抗器的電抗率為6%，則補(bǔ)回路抑制諧波的次數(shù)為：

        也就是說(shuō)，6%的串聯(lián)電抗器抑制諧波超過(guò)5次。然而，三次或三次以上諧波電流的放大非常嚴(yán)重，導(dǎo)致電容器組損壞。因此，經(jīng)過(guò)大量的運(yùn)營(yíng)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，國(guó)家規(guī)定。需要抑制5次以上諧波，避免3次以上諧波放大，電抗率可選為4.5%。此外，為了解決三次諧波放大的問(wèn)題，一些變電站的電容器組不是每組串聯(lián)6%電抗器，而是幾組串聯(lián)6%電抗器，另外幾組串聯(lián)12%或13%電抗器。對(duì)于某種背景諧波，在選擇串聯(lián)電抗率時(shí)，首先要研究供電系統(tǒng)中主要諧波的范圍，然后確定其電抗值的百分比，避免并聯(lián)、串聯(lián)諧振和諧波放大。

        五、結(jié)束語(yǔ)

電容器無(wú)功補(bǔ)償是提高系統(tǒng)功率因數(shù)、減少電網(wǎng)無(wú)功損耗的重要手段。由于電網(wǎng)有不同程度的諧波，無(wú)論何時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，都不能拋開(kāi)諧波問(wèn)題，否則不僅會(huì)危及電容器的安全，還會(huì)危及電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。串聯(lián)電抗器是無(wú)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)行和系統(tǒng)諧波的抑制有很大影響。因此，在串聯(lián)電抗器時(shí)，必須測(cè)試系統(tǒng)諧波，選擇正確的電抗率，同時(shí)提高電容器的額定電壓和安裝容量。