電力系統諧波放大問題研究

李陽

（長沙電業局 長沙市 410002）

并聯電容器作為無功補償設備接入電力系統中后，不僅承受電網的工頻電壓，產生工頻電流，而且在電網非正弦用電設備諧波源的作用下產生高次諧波電流，電容器是在工頻電壓源和高次諧波電流源這兩種不同性質的電源下工作。電容器雖然是諧波源的一個負載，其諧波電流只是諧波源的諧波電流的一部分，由于是容性電抗，在和電力系統感性電抗相并聯時候，在很多的情況下，由用戶諧波源進入電力系統的諧波電流將發生變化，有時候其數值大于諧波源的諧波電流，這種現象叫做諧波放大。如果流入電容器和電力系統的諧波電流在數值上均大于諧波源的諧波電流，這種現象就為諧波電流嚴重放大。當諧波源的負載電路處于并聯諧振狀態時候，流入電力系統的和電容器的諧波電流將達到最大值，將比諧波源的諧波電流大幾倍甚至幾十倍，引發嚴重的事故，因此研究電容器在接入有高次諧波電流源的電力系統的諧波放大狀況是十分有必要的。

1 諧波的危害

（1）諧波影響各種電氣設備的正常工作。

諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致損壞。

（2）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

電力系統中的諧波會改變保護繼電器的性能，引起誤動作或拒絕動作。不同類型的繼電器工作原理和設計性能不同，因此諧波對其影響也有較大的差別。諧波對大多數繼電器的影響并不太大，但對部分晶體管型繼電器可能會有很大的影響。電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，當有諧波時，將會產生測量誤差。

（3）對臨近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。

諧波對通信系統的干擾是一個在國際上十分重視的問題，對此已進行了充分的研究并制定了相應的標準。諧波干擾會引起通信系統的噪聲，降低通話的清晰度。干擾嚴重時會引起信號的丟失，在諧波和基波的共同作用下引起電話鈴響，甚至還發生過危及設備和人身安全的事故。電力系統傳輸的功率以兆瓦（MW）計，而通信系統的功率以毫瓦（mW）計，兩者相差十分懸殊。因此，電力網中不大的不平衡音頻諧波分量，如果藕合到通信線路上，就可能產生很大的噪聲。在有多個中性點接地的電網中，如有較大的零序分量諧波電流通過中性點流入大地，就會嚴重干擾附近的通信系統。

2 諧波對電容器的影晌

無功補償電容器組主要用于補償基波無功功率，但是當諧波作用于電容器時，既可能使電容器回路吸收諧波，改善電能質量，也有可能導致電容器回路出現諧波放大，使電能質量變壞。決定諧波的吸收或放大的因素是多方面的，其主要因素可以歸納三個方面：

（1）電容器組的參數配置；

（2）電網的背景諧波水平和所帶負荷的性質；

（3）電力系統網絡情況。

在一定條件下，諧波對電容器組的運行影響很大，嚴重時可能導致電容器組因過流而退出運行，這樣既不能有效地補償無功功率，導致功率因數下降及線損增加，又造成了電容器設備投資的浪費。

2.1 電容器對諧波阻抗的影晌

在沒有電容設備并且不考慮輸電線路電容時候，電力系統的諧波阻抗可以由其工頻短路電抗Xs為基礎計算。如系統n次的諧波電阻為Rsn，諧波電抗為Xsn。由于Xsn為感抗，則：

若諧波阻抗為Zsn，則

實際上電力系統不是簡單的RL電路，而是一個很復雜的RLC電路。如以式（2）計算諧波阻抗，將與實際值有很大的差異，現以滿足式（2）的電感元件的諧波阻抗Zsn與諧波容抗Xcn并聯的系統等值諧波阻抗Zsn來進行分析，電路如圖1。

圖1 諧波阻抗電路圖

設電容器的基波電抗為Xn，諧波電抗為Xcn，則：

由圖1可求得：

比較式（3）和式（4）可以得到：并聯電容器將改變系統諧波阻抗的頻率特性，可使系統等效諧波阻抗呈容性，甚至對某次諧波來說，并聯電容器可能與系統發生并聯諧振，這時等效諧波阻抗達到最大值。

2.2 電容器對諧波電流的放大作用

電力系統中的諧波源通常具有恒流源的特征，即當外阻抗發生變化時電流值不變。設諧波源的n次諧波電流為In，進入電力系統的諧波電流為Isn，進入電容器的諧波電流為Icn。

此時，諧波源的外阻抗為電力系統的感性阻抗與電容器容抗相并聯的阻抗。進入電力系統和進入電容器的諧波電流的分配將因諧波次數的不同而不同，可能出現Isn＞In，也可能出現，Icn＞In，當，Icn＞In時，稱為電容器諧波電流放大;當Isn＞In和Icn＞In同時出現時候，稱為諧波電流嚴重放大。

設電力系統的基波等值阻抗為Zs=Rs+jXs，則n次諧波的阻抗為Zsn=Rsn+jXsn，通常Rsn＜Xsn，則Rsn可以忽略不計。在供電系統中作為無功補償用的并聯電容器，對于某次諧波若與呈感性的系統電抗發生并聯諧振，即可能出現過電壓而造成危害。如果在電容器支路中串聯電抗器，則可使諧振點遠低于某次含量較多的諧波。對應的簡化接線如圖2a所示，等效電路如圖2b所示。

圖2 電力系統簡化電路圖(a)和等值電路(b)

3 諧波放大的抑制

長期以來，采取在電容器中串接電抗器，作為防止諧振與抑制諧波的措施。這樣電容器組支路的阻抗為XLcn= XLn－Xcn。

當XLn＞Xcn時，電容器組可等效為電感，這時流過電容器和系統電抗的諧波電流方向相同，電容器組對諧波電流分流，起濾波作用。

當XLn＜Xcn時，電容器支路呈容性，流過電容器和系統電抗的諧波電流反向，電容器對諧波呈放大作用。因此，對于串聯電抗器參數的選擇成為電容器組在投入系統過程中是否產生諧波放大的關鍵。電抗率選擇不當不但不能抑制諧波放大，其后果往往還會適得其反。例如，對于3次諧波而言，如果串接6%電抗器后，相當于電容器容量增加一倍多，當3次諧波源為電流源，其內電納是電感性的，并聯電容器容量的增大將使電網3次諧波電壓升高，同時也使電容器支路中的3次諧波電流增大。顯然，在3次諧波含量較大的場合，使用6%電抗器無論對系統還是對電容器本身都是不利的。

在選擇電抗率時，既要考慮滿足抑制諧波要求，又要考慮盡可能降低電抗率節省投資的要求，對于大容量的電容裝置，電抗率的優化選擇尤為重要，其技術經濟效益將十分顯著。一般說來，如當系統中高次諧波電壓含量較小，電抗器主要用于限制合閘涌流時，可選用電抗率K= 0.1%～1%的阻尼電抗器，但應當注意電容器接入系統時對各次諧波的放大。對于抑制5次及以上的高次諧波電壓時，宜選用電抗率K=4.5%～5%的電抗器，但要注意電容器接入系統時對3次諧波電壓的放大。如為抑制3次及以上高次諧波電壓時，則宜選擇電抗率K=12%的電抗器。在諧波電壓放大后仍不超過規定值，電容器諧波電壓在允許范圍內的條件下，宜選擇較小電抗率的電抗器，以減小無功容量的損失，并可減少其對低次諧波電壓放大程度。

另外在電抗率的優化選擇上，還有以下幾點值得注意：

（1）宜按電壓等級選擇電抗率。

通過對220kV與110kV兩個電壓等級變電所的中壓側或低壓側裝設的電容器，以在高壓側引起的諧波電壓放大率不超過1.2倍為限值（指3,5次諧波），在不同電抗率，不同變壓器短路電壓比，以及不同的變壓器容量與系統短路容量比值的條件下，計算確定電容器組的最大容量，再經過綜合分析后認為:如電容器組未串接電抗器，其容量不宜大于主變壓器容量的10%；對于110kV變電所，電容器組串接K=12%電抗器，對3次諧波電壓的抑制作用有限，電容器組宜串接K=4.5%電抗器，且其容量一般不宜大于主變壓器容量的20%；當系統中110kV變電所普遍選用K=4.5%～5%電抗器時，在220kV變電所的電容器組應選用K=12%電抗器，不僅可以避免系統3次諧波電壓層層放大，而且還可以有效抑制電網3次諧波電壓。

（2）充分發揮電容裝置的濾波效益。

電容器對諧波有一定的承受能力，只要電容器和電抗器的參數匹配適當，既可有效地吸收電網諧波，減少流向高一級電網和鄰近電網的諧波電流，減小諧波造成的危害，又可防止對電網諧波的放大。按照傳統的簡化模型的分析方法，并根據濾波器原理，計算確定對于主要含有5次及以上諧波的場所，取K=4.5%；對于含有3次諧波的場所，取K=12.5%。同時，為達到較好的濾波效果，串聯電抗器的電感值應可調節，以調整電容器或電抗器本身的誤差。在運行時，一旦發現電容器損壞，應及時調換，不允許缺臺運行。不難看出，從發揮電容裝置對5次諧波的濾波效果來看，取K=4.5%優于取K=5%對3次諧波的濾波效果來看，取K=12.5%優于取K=13%，但劣于取K= 12%。

（3）宜采取不同電抗率的組合。

對于超高壓樞紐變電所裝設的大容量電容裝置，如能正確合理地選擇串聯電抗器的電抗率，不僅能達到有效地抑制電網諧波，而且能做到顯著地節省工程投資、減少電能損耗與降低年運行費用，從而獲得很大的技術經濟效益。從對桂花變電站電容裝置的各種電抗率選擇方案的比較論證，再從對駐馬店變電站進行諧波分析，針對特定次數的諧波采用不通的電容器投切組合證明:采用不同電抗率組合是完全能夠實現抑制諧波放大目標的。

采用同電抗率組合抑制諧波放大的原理，系使串接不同電抗率的電抗器電容器組對某次及以上諧波的綜合諧波阻抗呈感性;或者利用大部分只串低電抗率（如4.5%～5%）的電抗器，與小部分容量的濾波器共同組合，從而防止電容裝置引起諧波放大。當然，從經濟性要求串接高電抗率（如12%）的電容裝置容量盡可能小。

4 結語

對電力系統諧波放大的原理進行分析，通過實際變電站中的情況和事故對電容器組的諧波放大的情況進行研究，指出諧波對變電站運行的影響和變電站發生事故的原因，提出抑制諧波放大的措施。

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