淺析無功補償電容器損壞問題研究

摘 要:本文從晶閘管投切電容器(TSC)的原理出發，分析了無功補償電容器損壞的主要原因，一是投切操作引起的過壓過流，二是電容與電網并聯諧振而對諧波電流的放大作用。針對各項原因，提出了具體的應對措施，并對各措施作了分析。最后得出結論:諧波放大是主要原因，也要重視諧波源治理和LC參數的選擇。

關鍵詞:TSC無功補償并聯諧振電抗器

中圖分類號:TM5文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0106-01

1 引言

隨著變頻器等新技術設備的逐步推廣和應用，電能質量問題也日益暴露并得到重視，許多提升電能質量的技術設備應運而上。晶閘管投切電容器(TSC)就是其中的一種，近年來得到了較大的發展特別是隨著電力電子技術的迅速發展，晶閘管投切電容器技術更值得進一步深入研究和大力推廣應用。TSC裝置具有優良的動態無功功率補償性能，特別適合于這種沖擊性負荷及經常波動性負荷的電網。TSC實時無功功率動態補償裝置，對提高電網的功率因數，穩定系統電壓，降低能耗起到了顯著作用。但是，該裝置的補償電容器卻屢屢損壞而被迫撤出使用。據了解，無功補償裝置的電容損壞問題并不罕見。但是電網是獨立小電網，因此需要認真分析電網實際，找出電容器在電網中故障的根源并有的放矢的采取有效的應對措施，加速這一新技術在的推廣和應用[1]。

2 工作原理

動態無功補償裝置由TSC無功補償控制器、TSC驅動電路和TSC主電路組成。其主電路包含15組補償電容器組，可根據電網的無功需求有級的補償無功功率，達到提高功率因數的目的。電容器組采用的是調諧電抗電容器組三相Y接。每組的晶閘管閥采用晶閘管反并聯接線方式。L1—L15為調諧電感，設置適當參數，可以抑制并聯諧振。TSC-1為晶閘管驅動電路，用來產生觸發脈沖，GLB為過流保護模塊，通過互感器實時監測補償電流，一旦過流將封鎖TSC-1的脈沖，切除電容。FU是快速熔斷器，用以保護晶閘管。如果有快熔熔斷，系統將發出報警信號[2]。

3 電容損壞分析

在器件質量等因素都正常的情況下，電容器的損壞肯定是出現了過流或過壓引起的，結合該電路的特點和電網的實際，該設備電容器損壞的原因應該有投切操作涌流和諧波電流諧振放大兩種可能因素:

3.1 電容器的投切操作

由系統原理，晶閘管投入時有過零檢測，即只有當晶閘管兩端的電壓接近零時才允許該晶閘管被觸發，當晶閘管兩端的電壓過大(如大于30V)，該晶閘管的觸發信號被閉鎖。但實際工作中，多數情況是電容電壓在投入電網前不能達到理想情況。一是首次投入時電容電壓為零，投入時刻只能在電源電壓過零時刻。其電壓變化率是整個正弦周期內的最大時刻。二是對于電網，經常出現沖擊和波動負載，因為負載的突加會引起電源電壓瞬間跌落震蕩，突卸會引起電壓的過沖震蕩。三是本案采用的是Y形接法電容器組，因為三相電源的相位差異，在投切時三相之間存在時間差，就會在投入時產生較大的電壓漂移，影響系統的投入切出的準確角度，其它諸如控制精度、電網電壓波形畸變會引起同步檢測誤差，以及電磁兼容問題引起的干擾等。

3.2 諧波影響分析

3.2.1 直接影響:根據電容的阻抗特性，在n次諧波頻率下的容抗僅是在基波頻率下的n分之一，即頻率越高，容抗越小，這樣系統的諧波電流將大部分被電容電路吸收。這就大大增加了電容的負擔:諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器電流的有效值增大，溫升增高，甚至引起過熱而降低其使用壽命或嚴重時直接燒毀。

3.2.2 與系統發生并聯諧振:由于電網系統發電機阻抗一般固定，因此當投運不同容量的電容器時，諧振點不同，即對不同的頻率諧波產生放大作用。因此在系統中，隨著電容器的投運，諧波電流如果被放大很多，將大大惡化整個電網的供電質量。也容易造成惡性循環使得電容環境更加惡化。因此，必須嚴格控制系統參數，避開諧振放大的不利情況，保障系統穩定和安全。研究表明，電容對諧波電流的放大作用是造成電容器損壞的主要原因。

4 應對措施

4.1 針對電容投切問題，可以采取以下措施:

4.1.1 改進控制:為了使電容器投入時不引起涌流沖擊，必須選準晶閘管觸發的時刻，即保證晶閘管導通時電網電壓與電容器殘壓大小相等、極性一致，這就要預先測知電容器殘壓，為解決這一問題，可考慮以下方案:一是加放電電阻。二是電容器預充電。三是主電路采用晶閘管與二極管反并聯方式。

4.1.2 串聯電抗器，串聯電抗器可以明顯的降低電容器的投切涌流，隨著電抗器的增大，涌流會明顯下降但有飽和趨勢，即電抗增大到一定值后，涌流下降不再明顯。而且，隨著電抗器的增大，對電容的耐壓要求升高。電容的耐壓等級應該按系統基波電壓值、電抗器分壓值和諧波在電容器上產生的電壓值三者之和考慮。

4.2 針對諧波諧振問題，可以采取以下措施

4.2.1 串聯電抗器是抑制諧波放大的有效措施。電網系統阻抗是基本不變的，改變串聯電抗器的阻抗，就會引起并聯諧振頻率的變化，如果參數配合適當，就可以在諧波頻率處避免諧振，同樣，電容對諧波電流的放大作用也會得到抑制。由放大的原理分析可見，并聯電容器之所以能夠引起諧波放大，是因為電容器支路在諧波頻率范圍內呈現出容性，若通過選擇電抗值使電容器支路在最低次諧波頻率下呈現出感性，就可消除諧波放大。

4.2.2 配合使用濾波器。針對系統存在的諧波成分，在諧波源處加裝濾波器，濾波器可以是無源濾波器(LC)也可以是有源濾波器(APF)。

4.2.3 降低諧波源的諧波含量。在諧波源上采取措施，最大限度地抑制諧波的產生，以提高電網供電質量，節省因抑制諧波影響而支出的成本。

4.2.4 采用可調電抗器。考慮可以采用基于正交磁化原理的可調電抗器作為電容支路的串聯電抗器，當電容器電流出現諧振放大時，通過在線調節電抗器的參數，使得電容支路偏離諧振頻率，從而使電容器的電流不超過其允許值。

5 結語

(1)TSC系統的電容器損壞原因，不外乎投切操作引起的過壓過流和諧波電流引起的電容器并聯諧振放大。其中，諧振放大是主要的。因此在系統設計選擇參數時必須予以重視。

(2)電容電感的參數選擇對于系統的安全和穩定至關緊要，特別是電感的參數，必須保證既要達到抑制涌流和諧波放大的作用。又要顧及補償效果，減少其對補償系統容抗的降低程度。同時，器件的質量和穩定性也不容忽視。

(3)要徹底解決問題，還要對系統地諧波源進行治理，包括科學設計，合理配置，電磁兼容等，最大限度的抑制諧波的產生，減少系統的諧波問題。

參考文獻

[1]王兆安，楊君，劉進軍等.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業出版社，1998.

[2]劉暉.淺析TSC無功補償裝置[J].電力電容器，2007(3).