串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用及電抗率的選擇

1、串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用及電抗率的選擇摘要：串聯(lián)電抗器是高壓并聯(lián)電容器裝置的重要組成部分， 其主要作用是抑制諧波和限制涌 流，因此， 在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器是非常必要的。電抗率是串聯(lián)電抗器的重要參數(shù)，電抗率的大小直接影響著它的作用。文章著重就串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用展開分析， 并提出電抗率的選擇方法。關(guān)鍵詞：串聯(lián)電抗器 諧波抑制 電抗率選擇1 前言隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，如低壓 小容量家用電器和高壓大容量的工業(yè)用交、 直流變換裝置， 特別是靜止變流器的采用， 由于 它是以開關(guān)方式工作的， 會引起電網(wǎng)電流、 電壓波形發(fā)生畸變， 從而引起電網(wǎng)的諧

2、波 “污染 ”。 產(chǎn)生電網(wǎng)諧波 “污染 ”的另一個重要原因是電網(wǎng)接有沖擊性、波動性負(fù)荷，如電弧爐、大型軋 鋼機、電力機車等，它們在運行中不僅會產(chǎn)生大量的高次諧波，而且會使電壓波動、閃變、 三相不平衡日趨嚴(yán)重。 這不僅會導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低， 而且會嚴(yán)重削弱和干擾 電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，形成了對電網(wǎng)的 “公害 ”。電能質(zhì)量的綜合治理應(yīng)遵循誰污染誰治理，多層治理、分級協(xié)調(diào)的原則。在地區(qū)的配 電和變電系統(tǒng)中， 選擇主要電能質(zhì)量污染源和對電能質(zhì)量敏感的負(fù)荷中心設(shè)立電能質(zhì)量控制 樞紐點，在這些點進(jìn)行在線電能質(zhì)量監(jiān)測、采取相應(yīng)的電能質(zhì)量改善措施顯得格外重要。在并聯(lián)電容器裝置接入母線處的諧波 “污染 ”

3、暫未得到根本整治之前，如果不采取必要 的措施， 將會產(chǎn)生一定的諧波放大。 在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器是非常有效和可行的 方法。串聯(lián)電抗器的主要作用是抑制高次諧波和限制合閘涌流1，防止諧波對電容器造成危害，避免電容器裝置的接入對電網(wǎng)諧波的過度放大和諧振發(fā)生。 但是串聯(lián)電抗器絕不能與電 容器組任意組合， 更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。 文章著重就串聯(lián)電抗器抑 制諧波的作用展開分析，并提出電抗率的選擇方法。2 電抗器選擇不當(dāng)?shù)暮蠊?.1 基本情況介紹某 110kV 變電所新裝兩組容量 2400kvar 的電容器組，由生產(chǎn)廠家提供成套無功補償 裝置，其中配置了電抗率為 6% 的串聯(lián)電抗

4、器，容量為 144kvar 。電容器組投入運行之后， 經(jīng)過實測發(fā)現(xiàn)，該 110kV 變電所的 10kV 母線的電壓總畸變率達(dá)到 4.33% ，超過公用電網(wǎng) 諧波電壓（相電壓） 4% 的限值 2，其中 3 次諧波的畸變率達(dá)到 3.77% ，超過公用電網(wǎng)諧波 電壓（相電壓） 3.2% 的限值 2 。經(jīng)過仔細(xì)了解和分析，發(fā)現(xiàn)該 110kV 變電所的 10kV 系統(tǒng)存在大量的非線性負(fù)載。即 使在電容器組不投入運行的情況下， 10kV 母線的電壓總畸變率也高達(dá) 4.01% ，其中 3 次諧 波的畸變率高達(dá) 3.48% 。在如此諧波背景下， 2400kvar 電容器組配置電抗率為 6% 的串聯(lián) 電抗器是否

5、適合？現(xiàn)計算分析如下。2.2 電抗率的選擇分析(1 )電容器裝置側(cè)有諧波源時的電路模型及參數(shù)在同一條母線上有非線性負(fù)荷形成的諧波電流源時(略去電阻)，并聯(lián)電容器裝置的 簡化模型如圖1所示3。圖皚脅爲(wèi)黎倔石諧玻滋時的原理圖及同化陀路樓型Vii The skcklon dingrani and hvrt-cul riirwil iixxld withharmonic sourer In the side capacitor kinks諧波電流和并聯(lián)諧波阻抗為Xc為式中n為諧波次數(shù)；n為諧波源的第n次諧波電流；Xs為系統(tǒng)等值基波短路電抗; 電容器組基波容抗；Xl為串聯(lián)電抗器基波電抗。由于諧波源為電流

6、源，諧波電壓放大率與諧波電流放大率相等，故由式整理推導(dǎo)可 得諧波電壓放大率u =1 I n (5 + K 式屮IX fQ.K為電抗率f K =“ h S.為電容器裝ME入處邯線的垃略笄址；Q、為電舁器製W容肚(先推導(dǎo)出公式5比較合適)當(dāng)式(2)諧波阻抗的分子的數(shù)值等于零時，即從諧波源看入的阻抗為零，表示電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生串聯(lián)諧振，可得電容支路的串聯(lián)諧振點it m Xt = 1/(4)當(dāng)式(2)諧波阻抗的分母的數(shù)值等于零時，即從諧波源看入的阻抗為汽表示電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并可推導(dǎo)出電容器裝置的諧振容量Q cx 4為= 3( K、(5)if系統(tǒng)及元件的參數(shù)如表

7、i所示。表1蕨統(tǒng)1iib, 1 ParwnMler =” eyl2.52Mvar2400kvare. = l4-)= 244)Sx(Jr-6*) =fTJ4.899 Mtar由此可見，2400 kvar的電容器組配置電抗率為 6%的串聯(lián)電抗器不會發(fā)生 3次、5次諧波 并聯(lián)諧振或接近于諧振。（3）限制涌流分析計算電抗率選擇6%后，同一電抗率的電容器單組或追加投入時，能否有效抑制涌流， 文獻(xiàn)4中所提供的AP /? = - .1，aWQg,涌流峰值的標(biāo)幺值（以投入的電容器組額定電流的峰值為基準(zhǔn)值）；Q為電容器組的總?cè)萘?，Mvar; Q 0為正在投入的電容器組的總?cè)萘浚?Mvar ; Q 0為所有原來

8、已經(jīng)運行的電容 器組的總?cè)萘?，Mvar ; b為電源影響系數(shù)。已知兩套電容器裝置均為單組投切Q 什=Q =24OOkvar0 = Q嚴(yán)Q 上2400 +240() = 4800 二 4.8 Mvar1-1= I -1 / Jl +4.8/(6%x2M98)=I-1Z 1 +48/(6% x 244.981 - I -0.868 =0.132將琴敕0代入式對紂I了 j-(1 -0J32x )+1 =3.813 20T harnMMiic幾 * Crmuprimary hanTMnie lo VMDlh haEwmX whenOk mtin of 5cri 4% ;對于諧波次數(shù)最低為3次的，K 1

9、1.1%。如果該變電所的2400 kvar電容器組的電抗率分別按照0.1%、1% 4.5%、12%配置，試將有關(guān)參數(shù)代入式（3），經(jīng)過計算，17次諧波電壓放大率 Fvn的結(jié)果如表3所示。K 5 2400Har的跑容落紹配聖電杭宰分別為（LK1警，12的康聯(lián)電抗器后1：乂諧波咆壓放大軍人、lh The nutjuiiHralion oThiimHinir yoJim囂trfromprinmn hnniMink （o seventh hurmcmk- when I He ratio ofwrh叫 rvwcuiiMX1 dhirihutcd In 2400 kwnr capadturIwnk% is

10、14、4-5%, 12併u r i * jvI UK：3C*4 A 7ft町I1卜1 fHfWt.i?1 i 50i滬l爐IJMLin1 2ft142i m?PH2MU1 M1刖J.tM)a5同,# Jitia.7 J7J5IM JTOS*5ItO.ltXh1u/Ottfi；/J7omiij屯/ 一w3.2串聯(lián)電抗器額定容量串聯(lián)電抗器額定容量等于電容器的額定容量乘以電抗率(單相和三相均可按此簡便計 算)。由此可見，串聯(lián)電抗器額定端電壓、額定容量均與電容器的額定電壓、額定容量及電 抗率有關(guān)。電容器的額定電壓、額定容量本文不作詳細(xì)分析，下面著重分析串聯(lián)電抗率的選 擇3.3電抗率選擇的一般原則(1)

11、 電容器裝置接入處的背景諧波為3次根據(jù)文獻(xiàn)4，當(dāng)接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時，一般為12% ;也可采用4.5% -6%與12%兩種電抗率。設(shè)計規(guī)說的較含糊，實際較難執(zhí)行。筆者認(rèn)為，上述情況應(yīng)區(qū)別對 待：1) 3次諧波含量較小，可選擇 0.1%1%的串聯(lián)電抗器，但應(yīng)驗算電容器裝置投入后 3次諧波放大是否超過或接近國標(biāo)限值，并且有一定的裕度。2) 3次諧波含量較大，已經(jīng)超過或接近國標(biāo)限值，選擇12%或12%與4.5%6%的 串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)。(2) 電容器裝置接入處的背景諧波為3次、5次1 ) 3次諧波含量很小，5次諧波含量較大(包括已經(jīng)超過或接近國標(biāo)限值)，選擇4.5%6%的串聯(lián)電抗器，

12、忌用 0.1%1%的串聯(lián)電抗器。2) 3次諧波含量略大，5次諧波含量較小，選擇 0.1%1%的串聯(lián)電抗器，但應(yīng)驗 算電容器裝置投入后 3次諧波放大是否超過或接近國標(biāo)限值，并且有一定的裕度。3) 3次諧波含量較大，已經(jīng)超過或接近國標(biāo)限值，選擇12%或12%與4.5%6%的 串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)。（3）電容器裝置接入處的背景諧波為 5 次及以上1 ） 5次諧波含量較小，應(yīng)選擇 4.5%6%的串聯(lián)電抗器。2） 5 次諧波含量較大，應(yīng)選擇 4.5%的串聯(lián)電抗器。（4）對于采用 0.1%1%的串聯(lián)電抗器， 要防止對 5次、7次諧波的嚴(yán)重放大或諧振； 對于采用 4.5%6%的串聯(lián)電抗器，要防止對 3 次諧波

13、的嚴(yán)重放大或諧振。4 幾點建議（1）新建變電所的電容器裝置中串聯(lián)電抗器的選擇必須慎重，不能與電容器任意組 合，更不能不考慮電容器裝置接入處的諧波背景。（2）對于已經(jīng)投運的電容器裝置，其串聯(lián)電抗器選擇是否合理需進(jìn)一步驗算，并組 織現(xiàn)場實測， 了解電網(wǎng)諧波背景的變化。 對于電抗率選擇合理的電容器裝置不得隨意增大或 減小電容器組的容量；對于電抗率選擇不合理的電容器裝置必須更換匹配的串聯(lián)電抗器。（3）電能質(zhì)量的綜合治理是系統(tǒng)工程，在并聯(lián)電容器回路中串聯(lián)電抗器僅是抑制諧波的治標(biāo)之舉，要真正做到標(biāo)本兼治必須遵循誰污染誰治理、多層治理分級協(xié)調(diào)的原則。 變頻器和電動機之間的連線很長時， 電線間的分布電容會產(chǎn)生

14、較大的高頻電流， 可能造成變 頻器過電流調(diào)閘、漏電流增加、電流顯示精度變差等。因此，3.7KW 以下的電動機連線不要超過 50m， 3.7 以上不要超過 100m 。否則，最好加裝輸出電抗器。 另外，變頻器和電動機之間有熱繼電器時，尤其是 400V 系列的話，即使連接線小于 50m 也可能發(fā)生熱繼電器的誤動作，此時請使用輸出電抗器。關(guān)于變頻器電抗器的選擇問題1 ， 額定交流電流的選擇額定交流電流是從發(fā)熱方面設(shè)計電抗器的長期工作電流，同時應(yīng)該考慮足夠的高次諧 波分量。即輸出電抗器實際流過的電流是變頻器電機負(fù)載的輸出電流。2， 電壓降電壓降是指 50HZ 時，對應(yīng)實際額定電流時電抗器線圈兩端的實際

15、電壓降。通常選擇 電壓降在 4V8V 左右。3， 電感量的選擇電抗器的額定電感量也是一個重要的參數(shù)！若電感量選擇不合適，會直接影響額定電 流下的電壓降的變化， 從而引起故障。 而電感量的大小取決于電抗器鐵芯的截面積和線圈的 匝數(shù)與氣隙的調(diào)整。輸出電抗器電感量的選擇是根據(jù)在額定頻率圍的電纜長度來確定，然后再根據(jù)電動機 的實際額定電流來選擇相應(yīng)電感量要求下的鐵芯截面積和導(dǎo)線截面積，才能確定實際電壓 降。對應(yīng)額定電流的電感量與長度：電纜長度額定輸出電流電感量300 米100A461H200A231H250A16 1H300A13 1H600 米100A921H200A461H250A341H300A271H理想的電抗器在額定交流電