諧波抑制與電容器低壓無功補償技術研究

摘 要:隨著大量非線性負荷的增多，電網中產生的諧波使無功補償設備的可靠性和安全性降低。正確選擇無源濾波方案以及電容器、電抗器的型號是保證補償設備可靠性的關鍵。本文重點論述了電網在諧波環境下進行無功功率補償應采取的措施。

關鍵詞:低壓無功補償諧波無源濾波電容器

中圖分類號:TM47文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0014-02

目前，無功補償作為一種提高輸電效率、提高輸電安全性、提高供電設備利用率和改善供電質量的技術，在供電的各個系統得到廣泛應用。但近幾年因各種新型用電設備的大量使用，使低壓電網發生較大變化，使得無功補償設備的安全性和可靠性降低。

1 低壓無功補償的現狀

據大慶某電氣管理處調查資料顯示，大慶某地區的無功補償裝置有90%在保質期內出現過質量問題，有50%出現過停運。該地區的低壓無功補償被業內專家評價為 “處于癱瘓狀態”。出現以上的狀況主要是因為近幾年低壓電網受到諧波污染的現象越來越普遍和嚴重，如表1所示為低壓電網變化。

針對這種變化，設備制造廠商及大多數用戶沒有采取措施，在設計和元器件選型等方面仍采用過去的技術方案，使得低壓無功補償設備的可靠性和安全性降低。

補償設備的故障主要表現在電容器因過載失效，嚴重的甚至發生燃燒、爆炸等惡性事故。我國低壓并聯電容器近幾年在技術和質量上沒有顯著提升，以至于在招標時，設計部門或甲方單位為了保證供電系統的穩定性和可靠性，指定使用進口品牌電容器。

另外，用電單位不愿意投資對補償設備進行諧波治理改造，或采用帶濾波功能的補償設備。因為帶濾波功能的補償設備比普通設備成本和價格高很多，用戶寧可不斷更換電容器也不愿進行諧波治理。

無源濾波已是最經濟的諧波治理方案，想解決諧波問題需進行必要投資，否則電網中的諧波只能越來越多，會對其他電氣設備的可靠運行及安全造成較大影響，無功補償面臨的形勢越加嚴峻。

2 諧波的危害與治理

2.1 諧波的危害

非線性負載是諧波產生的根本原因。當電流流經負載時，與所加電壓不呈線性關系就會形成非正弦電流，產生諧波。諧波對電力系統造成的不良影響歸納起來有以下幾方面:

①使電網電壓和電流波形發生畸變，致使電能品質變壞;

②使電器設備鐵損增加，造成電器設備過熱，降低正常出力;

③使電介質加速老化，絕緣壽命縮短;

④影響控制、保護和檢測裝置的工作精度和可靠性;

⑤使具有容性的電氣設備和電氣材料發生過熱而損壞;

⑥對弱電系統造成嚴重干擾，甚至可能在某一高次諧波的作用下，引起網路諧振，造成設備損壞。

其中諧波導致電容器失效，使無功補償設備癱瘓是最為常見的。因此在存在諧波的情況下，必須掌握諧波發生的規律，設計無功補償裝置時必須有針對性地采取抑制措施。

2.2 諧波的治理

電力諧波的治理的手段主要有:增加整流設備極數、串聯電抗器、有源濾波(采用電力電子設備實時補償)和無源濾波(包括低通廣譜濾波、串聯調諧濾波和并聯調諧濾波等)。目前一般采用無源型交流濾波裝置，即由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合成濾波裝置，運行中它和諧波源并聯，除起濾波作用外還兼顧無功補償的需要。由于它結構簡單、運行可靠、維護方便，因此比國內外正在研制新型的有源型交流濾波裝置應用廣泛。

3 無源濾波原理及其補償裝置的設計

3.1 無源濾波的原理

使用電抗器與電容器串聯，組成一個LC串聯諧振電路，把該電路并聯在電網中，即構成一個最基本的無源濾波回路。

濾波回路的阻抗

(1)

當時，回路的阻抗最小，即串聯諧振。調整L和C的參數，使諧振頻率f等于要濾除的諧波的頻率，就可使該次諧波電流大部分流過濾波回路，而不會影響電網中其它設備。對于頻率最低的基波(50或60Hz)，由于，所以仍可發出容性無功電流，起到無功功率補償作用。

3.2 無源濾波器的種類及用途

如圖1(a)為單調諧濾波器，簡單、應用廣泛。用于濾除單一頻率諧波。圖1(b)為雙調諧濾波器，用于濾除兩種頻率的諧波。圖1(c)為2階阻尼濾波器(高通濾波器)，用于濾除某個頻率以上的所有高次諧波。圖1(d)為C型濾波器，阻抗特性與高通濾波器相似，但基波損耗小，用于低次諧波多的場合，如諧波源為中頻加熱爐的用電系統。

3.3 設計無源濾波補償裝置的步驟

低壓電網的諧波治理是一項復雜的工程，現今還沒有一套完善的技術規范或標準。下面僅就在諧波環境下以無功補償為目的的裝置設計方法作簡單介紹。

①確定補償所需的總無功功率(Q)、補償回路數(n)、每一回路的無功容量(Q0):

(2)

②測量要補償的系統的諧波電流頻譜——各次諧波電流的含量，確定要濾除的目標諧波。如一般變頻器使用6脈波整流器，則諧波次數主要為5、7次。

③確定濾波回路主要元件參數:

電容器的電容量:

(3)

電抗器的電感量:

(4)

電抗器的電抗率:

(5)

電容器的工作電壓:

(6)

電容器的額定電壓(Un)選擇:Un不低于U，也不能過高。

電容器的標稱容量:

(7)

電抗器的額定電流:

(8)

串聯調諧電路電阻器阻值:

(30<<100)(9)

阻尼型電路電阻器阻值:

(0.5<<5) (10)

4 諧波環境中電容器的特性

諧波對電容器的影響主要表現為:電容器長期承受過電流，導致電容器發熱嚴重而失效;電容器與供電系統的電感構成諧振回路，對于頻率較高的諧波容易形成諧振，使諧波被放大。

諧波環境對電容器的要求有:具有較大過電流能力、容量偏差小(±5%)、容量穩定性好、散熱性能良好、防爆性能好、使用優質聚丙烯薄膜及電極鍍層、制造過程質量穩定受控。

在諧波環境進行無功補償，對技術應用、售前服務提出更高要求，特別是重大工程，在招標時就應對電容器提出詳細要求，在制造前需進行設計評審。如對電容器提出了抗過電流能力、諧波條件、預期壽命指標和質保期要求等。

5 結語

電網中諧波污染日益嚴重，現已成為導致無功補償設備故障主要因素，無源濾波技術是適應電網變化最常用、最經濟的解決方案。推廣無源濾波可從根本上提高低壓電網的穩定性和可靠性，還可提高電容器行業設計、制造水平，滿足這些要求將使無功補償的整體技術水平得到實質性提升。

參考文獻

[1]李曉剛．無功電容補償及諧波抑制技術研究[D]．山東科技大學，工程碩士學位論文，2005．

[2]喬治．電力系統諧波——基本原理、分析方法和濾波器設計[M]．徐政澤，譯．北京:機械工業出版社，2005．