諧波對無功補償電容器裝置的影響及抑制方法

吳 濤

（重慶市電力公司北碚供電局，重慶 400711）

電網諧波對無功補償并聯電容器的運行有較大影響，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器的運行電流增大，溫升增高，引起過熱而降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。疊加在電容器基波電壓上的諧波電壓，不僅使電容器運行電壓的有效值增大，而且可能使峰值電壓增大很多，使電容器在運行中發生局部放電不能熄滅，這是電容器損壞的一個主要原因。另外，無功補償并聯電容器對諧波電流還具有放大作用，電容器對諧波電流放大一般為2—3倍，諧振時可達20倍以上。因此，有必要對電網諧波與無功補償并聯電容器之間的相互影響機理進行分析，正確認識諧波對無功補償裝置的影響和無功補償并聯電容器對諧波電流的放大作用，合理地配置電容器和電抗器，保證無功補償裝置和整個電網的安全運行。

1 電網諧波的產生及其影響

在工業和民用建筑電氣設備中，有許多非線性負載，這些非線性負載能產生各次的高次諧波，被稱為諧波電流源。公用電網中的諧波源主要是各種電力電子裝置（含家用電器、計算機等的電源部分）、變壓器、發電機、電弧爐和熒光燈等。工業用電系統中，大多數為三相負載，其三相整流裝置所產生的特征諧波主要是5次及5次以上的高次諧波，而在民用建筑電氣設備中，多數為單相負載。這些單相整流裝置產生的特征諧波主要是3次及3次以上的特征諧波。另外由于變壓器磁化曲線的非線性，其勵磁電流也含有高次諧波分量，其主要是3次諧波和5次諧波。

諧波電流和諧波電壓的出現對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的通訊系統和公用電網以外的設備帶來危害。諧波的危害有很多方面，如諧波電流會使輸電損耗變大，使電動機過熱和運行不穩定，造成繼電保護裝置誤動作等。這里我們主要討論非線性負載所產生的高次諧波電流對無功補償電容器的影響。

各次諧波與正弦波的基波合成結果就是一個非正弦波，這就是通常所說的畸變波形。這些畸變波形對并聯電容器的影響很大，當電容器的端電壓為非正弦波時，會在電容器介質中產生附加的有功損耗，就產生了額外發熱，使電容器溫度升高。電壓波形的畸變還會加速電容器介質的老化；另外，電容器在諧波頻率下的容抗比在基波頻率下小很多倍而電網中的變壓器在諧波頻率下的感抗比在基波頻率下大很多倍，導致諧波電流大部分流入并聯電容器，會造成電容器過負荷，甚至燒毀并聯電容器。

2 諧波的放大現象

在配電系統中常常會出現這種情況，當并聯電容器投入運行時，會使并聯電容器回路中流入的諧波電流大于非線性負載所產生的諧波電流，這就是所謂的諧波放大現象。

現在我們用供電系統與并聯電容器的簡化電路來進行分析，見圖1。(簡化電路的前提是：線性負載的阻抗比系統阻抗大很多，因此線性負載支路的分流很少，為了簡化起見在簡化電路中忽略了線性負載支路。)圖中，In為諧波源的n次諧波電流；Isn為進入電網的諧波電流； Icn為進入電容器的諧波電流。

如圖所示，忽略系統的n次諧波電阻Rsn，則

圖1a 系統圖

圖1b n次諧波電流等效電路

式中：Xsn ——n次諧波電抗(Ω)，Xsn=nXs；

Xs ——工頻短路電抗(Ω)；

Xc ——并聯電容器基波電抗(Ω)。

上述分析表明，當為提高系統功率因數而進行電容無功補償時，如果電容補償裝置參數選擇不當，就可能產生電容器諧波電流放大或諧振現象，致使電容器因長時間處于過負荷工作情況下而燒毀，或者工作在過電壓的情況下而擊穿。

3 抑制方法

3.1 抑制并聯電容器諧波電流的方法

由前述分析可知，在有諧波源的系統中，單獨使用電容器進行無功補償，會造成諧波電流通過并聯電容器使其過載。為防止這種情況發生，一般采取以下三種方式抑制并聯電容器諧波電流：

減少使用或不使用產生諧波的電氣設備；

（2）改變電網的參數；

（3）在并聯電容器支路中串聯一個電抗器。

上述三種方法中只有第三種是切實可行的，也就是在并聯電容器支路中串聯電抗器，用來抑制流向并聯電容器中的諧波電流。現在我們用圖2 來分析串聯電抗器之后的情況。

如圖2 所示，串接電抗器之后，Isn和Icn變為：

圖2a 串聯電抗器后的系統圖

圖2b 串聯電抗器的次諧波電流等效電路

式中：XL——串聯電抗器的基波電抗(Ω)。

當nXL-(Xc/n) >0時，此時支路成感性，In電流是在兩個感性支路間分配，所以Isn和Icn均小于In，這就有效防止了n次諧波被放大。

3.2 串聯電抗器的參數選擇

3.2.1 串聯電抗器的電抗率計算

電抗率就是串聯電抗器的感抗與并聯電容器的容抗之比，用百分數表示。在無功補償并聯電容器回路中串聯一組電抗器，其感抗值的選擇應使在可能產生的各次諧波下均使電容器回路中的總阻抗為感性，而不是容性，這就從根本上消除了產生諧波的可能。串聯電抗器感抗的計算如下：

式中：XL ——串聯電抗器的工頻感抗(Ω)；

n——可能產生的最低次諧波次數；

K ——可靠系數(一般取1.2 ～ 1.5)；

X ——補償并聯電容器的工頻容抗(Ω)。

在《并聯電容器裝置設計規范》GB50227-95 中，對于抑制次諧波的串聯電抗器的電抗率都有推薦值。例如，抑制5次諧波的串聯電抗器推薦的電抗率為0.06，抑制3次諧波的串聯電抗器推薦的電抗率為0.12。

3.2.2 串抗器與電容器額定電壓的匹配問題

當無功補償電容器支路串聯電抗器之后，會使并聯電容器的端電升高。根據《并聯電容器裝置設計規范》中5.2.2.3條規定：電容器端子運行電壓應計入接入串聯電抗器引起的電容器運行電壓升高，其端電壓升高值按下式計算：

式中：Uc——電容器端子運行電壓(kV)；

S——電容器組每相串聯段數；

Us——并聯電容器裝置母線電壓(kV)；

K——串抗的電抗率(%)，k=XL/XC 。

按《電力系統電壓和無功電力技術導則》規定，變電站母線電壓有一定的允許范圍。例如，變電站10kV母線電壓合格范圍應為10～10.7kV。所以，串聯電抗器的電抗率的選擇還要與電容器的額定電壓和母線電壓的允許范圍相匹配。除此之外，還要注意電抗率對諧振點諧波次數的影響，要使串抗器參數的選擇避免使并聯和串聯諧振點及諧波電流嚴重放大區的諧波次數接近該系統主要諧波源的諧波次數。

結語

現代電力系統中諧波污染問題已經越來越嚴重，而由諧波所引起的諸如變壓器升溫、電纜燒毀、通信干擾、UPS燒毀以及無功補償電容器經常出現的燒毀或無法正常投切等故障，已經引起電力工作者的高度重視。由于電網都存在不同程度的諧波，因此無論何時進行無功補償，都不能拋開諧波問題而孤立地討論補償，否則補償系統將無安全性可言。同時，并聯無功補償裝置的參數選擇也至關重要，應進行定量分析。只有參數選擇得當，才能保證無功補償裝置起到應有作用的同時更加安全穩定地運行。

[1]王兆安，楊君，劉進軍等.諧波抑制和無功功率補償(第2版)[M].北京:機械工業出版社，2006.

[2]胡治國，張靜，何銀永.帶諧波的無功補償系統[J].東北電力技術，2005（6）.

[3]吳磅.諧波電流對無功補償并聯電容器的影響[J].電氣工程應用，2005，2(8).

[4]范杰，夏雪松.無功補償電容器串聯電抗器的選擇[J].江蘇電機工程，2005，24(5).