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 隨著電力電子技術的廣泛應用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負載，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)的諧波“污染”。產(chǎn)生

2、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、三相不平衡日趨嚴重。這不僅會導致供用電設備本身的安全性降低，而且會嚴重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，形成了對電網(wǎng)的“公害”。 電能質量的綜合治理應遵循誰污染誰治理，多層治理、分級協(xié)調的原則。在地區(qū)的配電和變電系統(tǒng)中，選擇主要電能質量污染源和對電能質量敏感的負荷中心設立電能質量控制樞紐點，在這些點進行在線電能質量監(jiān)測、采取相應的電能質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”暫未得到根本整治之前，如果不采取必要的措施，將

3、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?shù)暮蠊?2.1 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

4、變電所的10kV母線的電壓總畸變率達到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4.01%，其中3次諧波的畸變率高達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荷形成的諧波電流源時（略去電阻），

5、并聯(lián)電容器裝置的簡化模型如圖1所示3。諧波電流和并聯(lián)諧波阻抗為 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；XC為電容器組基波容抗；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，故由式整理推導可得諧波電壓放大率（先推導出公式5比較合適）當式(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 當式(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，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，并可推導出電容器裝置的諧振容量QCX 4為系統(tǒng)及

6、元件的參數(shù)如表1所示。（2）避免諧振分析 計算電抗率選擇6%時，發(fā)生3次、5次諧波諧振的電容器容量，將有關參數(shù)代入式(5)，得3次、5次諧波諧振電容器容量分別為由此可見， 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4中所提供的 涌流峰值的標幺值（以投入的電容器組額定電流的峰值為基準值）；Q為電容器組的總容量，Mvar；Q 0為正在投入的電容器組的總容量，Mvar；Q 為所有原來已經(jīng)運行的電容器組的總容量，Mvar；b為電源影響系數(shù)。 已

7、知兩套電容器裝置均為單組投切 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，另外一組電抗率為6%的電容器單組或追加投入時，涌流能夠得到有效限制。（4）諧波電壓放大率分析 計算電抗率選擇6%時，將有關參數(shù)代入式(3)，經(jīng)過計算，電容器組對17次諧波電壓放大率FVN 結果如表2所示。 由計算結果可以看出，選擇6%的串聯(lián)電抗器對3次諧波電壓放大率FVN為1.21，對5次諧波電壓放大率FVN為0.69。經(jīng)過與現(xiàn)場諧波實測數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)：3次諧波電壓放大率FVN與以上理論計算值基本一致，但5次諧波電壓放大率FVN的誤差較大。文獻5認為：簡化的電路模型對于3次諧波電壓放大率FVN的計算

8、有工程價值，但對5次諧波電壓放大率FVN的計算無工程價值。2400 kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器，產(chǎn)生了3次諧波放大，且超過公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）3.2%的限值2。因此可以判斷在如此諧波背景下，2400kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器是不恰當?shù)?。?）電抗率的合理選擇 要做到合理地選擇電抗率必須了解該電容器接入母線處的背景諧波，根據(jù)實測結果對癥下藥。并聯(lián)電容器的串聯(lián)電抗器，IEC標準按照其作用分為阻尼電抗器和調諧電抗器。阻尼電抗器的作用是限制并聯(lián)電容器組的合閘涌流，其電抗率可選擇得比較小，一般為0.1%1%；調諧電抗器的作用是抑制諧波。當電網(wǎng)中存在的諧波不可

9、忽視時，則應考慮使用調諧電抗器，其電抗率可選擇得比較大，用以調節(jié)并聯(lián)電路的參數(shù)，使電容支路對于各次有威脅性諧波的最低次諧波阻抗成為感性，據(jù)式(4)可得K值即對于諧波次數(shù)最低為5次的，K4%；對于諧波次數(shù)最低為3次的，K11.1%。 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，試將有關參數(shù)代入式(3)，經(jīng)過計算，17次諧波電壓放大率FVN的結果如表3所示。 由計算結果可以看出，選擇12%的串聯(lián)電抗器對3次諧波電壓放大率FVN僅為0.50。因此電抗率按照12%配置是值得進一步驗算的。 經(jīng)過進一步驗算（諧振分析、限制涌流分析因篇幅所限略），選擇12%

10、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，同時另外一組電抗率為12%的電容器單組或追加投入時，涌流能夠得到有效限制。（6）電抗率選擇的進一步分析 值得一提的是我國的電網(wǎng)普遍存在3次諧波，故不同電抗率所對應的3次諧波諧振電容器容量QCX3應該引起足夠的重視。 由式(5)計算可得，分別選擇4.5%、6%和12%的串聯(lián)電抗器后，3次諧波諧振電容器容量分別為 即當串聯(lián)電抗率選4.5%，電容器的容量達到或接近電容器裝置接入母線的短路容量的6.6%時，就會發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振；當串聯(lián)電抗率選6%，電容器的容量達到或接近電容器裝置接入母線的短路容量的5.1%時，也會發(fā)生3次諧波并聯(lián)

11、諧振或接近于諧振；當串聯(lián)電抗率選12%，一般不會發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振。 一般情況下，110kV變電所裝設的電容器的容量較?。?.05S d 0.06 S d），不會發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振，但會引起3次諧波的放大；而220kV變電所裝設的電容器的容量較大，完全有可能發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振，因此務必引起設計人員的高度重視。3 串聯(lián)電抗器的選擇 3.1 串聯(lián)電抗器額定端電壓 串聯(lián)電抗器的額定端電壓與串聯(lián)電抗率、電容器的額定電壓有關。該額定端電壓等于電容器的額定電壓乘以電抗率（一相中僅一個串聯(lián)段時），10kV串聯(lián)電抗器的額定端電壓的選擇見表4。3.2 串聯(lián)電抗器額定容量 串聯(lián)電抗器

12、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。電容器的額定電壓、額定容量本文不作詳細分析，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）電容器裝置接入處的背景諧波為3次 根據(jù)文獻4，當接入電網(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。設計規(guī)范說的較含糊，實際較難執(zhí)行。筆者認為，上述情況應區(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限值，并且有一定的裕度。

13、2）3次諧波含量較大，已經(jīng)超過或接近國標限值，選擇12%或12%與4.5%6%的串聯(lián)電抗器混合裝設。 （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)超過或接近國標限值），選擇4.5%6%的串聯(lián)電抗器，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)超過或接近國標限值，選擇12%或12%與4.5%6%的串聯(lián)電抗器混合裝設。 （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

14、小，應選擇4.5%6%的串聯(lián)電抗器。 2）5次諧波含量較大，應選擇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次諧波的嚴重放大或諧振。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

15、器。 （3）電能質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之舉，要真正做到標本兼治必須遵循誰污染誰治理、多層治理分級協(xié)調的原則。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)生較大的高頻電流，可能造成變頻器過電流調閘、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

16、計電抗器的長期工作電流，同時應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載的輸出電流。 2， 電壓降 電壓降是指50HZ時，對應實際額定電流時電抗器線圈兩端的實際電壓降。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)與氣隙的調整。 輸出電抗器電感量的選擇是根據(jù)在額定頻率范圍內的電纜長度來確定，然后再根據(jù)電動機的實際額定電流來選擇相應電感量要求下的鐵芯截面積和導線截面積，才能確定實際電壓降。 對應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 100A 46H 200A 23H 250A 16H 300A 13H 600米 100A 92H 20