純電容補(bǔ)償面臨的諧波影響及其解決方法

田 園

(南充電業(yè)局檢修公司，四川 南充 637007)

0 引言

在低壓配電系統(tǒng)中的阻感性用電設(shè)備得到廣泛的應(yīng)用，造成電網(wǎng)的功率因率偏低，給用電設(shè)備以及電網(wǎng)造成比較大的危害。無(wú)功補(bǔ)償成為現(xiàn)在低壓配電系統(tǒng)中不可缺少的部分，常用方式是在電力負(fù)荷側(cè)并聯(lián)電力電容器。這種補(bǔ)償方式可以提高供電系統(tǒng)功率因數(shù)，穩(wěn)定受電端電壓水平，從而提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。但采用純電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)會(huì)有大量諧波產(chǎn)生的情況，電容器的補(bǔ)償支路經(jīng)常容易故障，造成電容器、投切開關(guān)與保護(hù)設(shè)備損壞。

1 低壓配電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生

工業(yè)中常用的各種相控裝置、直流電機(jī)包含的整流設(shè)備、為了實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的平緩啟動(dòng)、調(diào)速與節(jié)能而廣泛使用的變頻器、低壓中頻爐、逆變器、熒光燈甚至計(jì)算機(jī)電源等大量的非線性設(shè)備的使用，使得現(xiàn)在的低壓配電系統(tǒng)中存在著大量的諧波，這對(duì)無(wú)功補(bǔ)償所用的電容、電感等器件造成了極大影響。

2 純電容器補(bǔ)償面臨的問(wèn)題

2.1 低壓配電系統(tǒng)中電容器容易出現(xiàn)的問(wèn)題

并聯(lián)于電網(wǎng)運(yùn)行的電容器是配電系統(tǒng)中最容易損壞的元件，一般選用400 V的額定電壓。而實(shí)際運(yùn)行的低壓母線，電壓一般會(huì)超過(guò)電容器額定電壓的3%，同時(shí)低壓母線上常會(huì)產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流，常會(huì)造成電容器觸點(diǎn)燒結(jié)、電容器膜被擊穿、電容器鼓包等情況［1］。

低壓負(fù)荷中的非線性設(shè)備產(chǎn)生大量諧波，經(jīng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)諧波電壓含量一般能達(dá)到國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，影響不大，但諧波電流的影響卻不容忽略［4］。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試到純電容器補(bǔ)償支路與系統(tǒng)側(cè)的諧波電流都被放大，放大的諧波電流疊加于電容器的兩端，致使補(bǔ)償支路的電流過(guò)大。

所以電網(wǎng)中諧波電流已經(jīng)成為補(bǔ)償支路不能正常運(yùn)行和電容器的使用壽命減少的主要原因。

2.2 電容器對(duì)諧波電流的影響

電力系統(tǒng)中的元件大多為系統(tǒng)阻抗呈感性的感性元件，并且在不同的頻率下，呈現(xiàn)不同的阻抗性質(zhì)和數(shù)值，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.2.1 電容器對(duì)諧波電流的放大

電力系統(tǒng)的諧波源主要是可以認(rèn)為是恒流源的諧波電流源，即輸入阻抗變化時(shí)其諧流并無(wú)多大的變化［2］。圖1是現(xiàn)在低壓補(bǔ)償系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖。

圖1 系統(tǒng)簡(jiǎn)化接線圖

圖2 等值電路圖

低壓母線上并聯(lián)的補(bǔ)償電容器，其諧波阻抗為XCn。略去電阻影響，系統(tǒng)的等效電路為圖2;諧波源的諧波電流為In，得到注入系統(tǒng)中的諧波電流ISn與電容器支路的諧波電流ICn分別為

由于基波參數(shù)不變，故支路電流為ICn和ISn是頻率的函數(shù)。令電容器串電抗器支路的諧波阻抗與系統(tǒng)諧波阻抗之比為

α就是諧波次數(shù)n的函數(shù)，并隨n而變化，系統(tǒng)側(cè)諧波ISn與負(fù)載產(chǎn)生諧波In之比、電容器支路的諧波ICn與設(shè)備產(chǎn)生諧波ISn之比可分別表述為

根據(jù)并聯(lián)純電容器后的諧波電流放大曲線圖可以看出，只要投入純電容器進(jìn)行補(bǔ)償就會(huì)發(fā)生諧波電流的放大。在-0.5＜α＜0時(shí)，系統(tǒng)的諧波電流比沒(méi)有補(bǔ)償時(shí)有所下降;但隨著純電容投入數(shù)量增多，α?xí)p小，情況會(huì)更加嚴(yán)重。在-1＜α＜-0.5時(shí)，諧波電流被嚴(yán)重放大，電容側(cè)的諧波電流被放大2倍以上，電容器很容易發(fā)生擊穿。在α=-1的時(shí)候發(fā)生并聯(lián)諧振，系統(tǒng)諧波阻抗XSn與電容阻抗XCn相等;在較小的諧波電流作用下也會(huì)在并聯(lián)阻抗的兩端產(chǎn)生無(wú)限大的諧波電壓，電容器支路的電壓會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)其額定電壓，很容易造成電容器的膜被擊穿，發(fā)生鼓包、漏油。

圖3 并聯(lián)純電容器的諧波電流放大曲線

2.2.2 純電容在諧波環(huán)境下的工作情況

表1是在某廠實(shí)測(cè)到并聯(lián)電網(wǎng)的電容器實(shí)際的工作情況［4］，該電容器的額定容量為30 kvar，額定電流為43.3 A。電容器側(cè)主要含有5次諧波，同時(shí)存在少量的3次諧波。

表1 純電容器補(bǔ)償支路的實(shí)測(cè)情況

3 低壓配電系統(tǒng)中純電容器補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)

通過(guò)改變用電設(shè)備，使用不產(chǎn)生諧波的用電設(shè)備;加裝無(wú)源濾波器或者有源濾波器，濾除部分諧波;改變電容器支路設(shè)備，加裝電抗器抑制諧波，降低電容器支路的諧波電流等等方法來(lái)保證用電設(shè)備與補(bǔ)償支路的正常工作。

3.1 改變用電設(shè)備

非線性的用電設(shè)備是主要的諧波產(chǎn)生源，在選擇用電設(shè)備的時(shí)候，最好選擇容性的或者電阻性的設(shè)備，不用進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

但現(xiàn)在想要改變用電設(shè)備來(lái)減少諧波的含量是不可能實(shí)現(xiàn)的。用電設(shè)備的前期投入的資金很高，要想再改變是不可能的，而且產(chǎn)生諧波的設(shè)備往往是輔助設(shè)備，是不能缺少的，因此想通過(guò)改變用電設(shè)備這種方式來(lái)解決純電容器補(bǔ)償對(duì)諧波電流的放大是不能實(shí)現(xiàn)的［5］。

3.2 補(bǔ)償支路加裝無(wú)源濾波器

用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波已經(jīng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的影響，通過(guò)加裝電抗器的電容器支路，雖然能夠抑制諧波，但由于諧波的基數(shù)過(guò)大，造成諧波的抑制效果不明顯。此時(shí)為了濾除某次諧波就可以利用無(wú)源濾波器來(lái)解決濾波要求不是很高的工況［6］。

無(wú)源濾波器主要由濾波電容器、濾波電抗器等組成LCR濾波裝置，針對(duì)某次諧波來(lái)進(jìn)行濾除。現(xiàn)在應(yīng)用上來(lái)看，一般無(wú)源濾波器只能濾除部分諧波，濾波的效果不是很好。無(wú)源濾波器作為吸收諧波的設(shè)備，主要分為有單調(diào)諧濾波器和高通濾波器兩種基本型式。

單調(diào)諧濾波器由L、C、R元件串聯(lián)組成，高通濾波器主要產(chǎn)用L、C、R元件經(jīng)串、并聯(lián)組成。無(wú)源濾波需要針對(duì)不同次數(shù)的諧波做多個(gè)的濾波回路，設(shè)備的總回路數(shù)量很大，設(shè)備的體積比較大，并且對(duì)電容器與電抗器運(yùn)行的準(zhǔn)確性與承受諧波過(guò)電流的要求很高。現(xiàn)在無(wú)源濾波器只是在針對(duì)某次諧波電流含量過(guò)高，并且要求諧波必須濾除的工廠里少量使用。

3.3 補(bǔ)償回路加裝有源濾波器

有源濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)濾除諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。

有源濾波器是以時(shí)域分析為基礎(chǔ)對(duì)畸變波實(shí)時(shí)“跟蹤”補(bǔ)償，檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流表分量。檢測(cè)結(jié)果經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。這樣可使任意頻率、任意幅值和相位的諧波都能清除，并使無(wú)功功率得到完全的補(bǔ)償［7］。

有源濾波器要做到完全的波形補(bǔ)償，就需要很好的信號(hào)跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)要做出快速判斷，還要性能穩(wěn)定的電源作為補(bǔ)償?shù)脑，F(xiàn)有技術(shù)還不能進(jìn)行大范圍推廣，只在裝設(shè)對(duì)諧波很敏感的精密儀器的工廠少量使用。

3.4 改變電容器支路

通過(guò)改變電容器支路的設(shè)備是最好的方法，也是最節(jié)約成本的方式，可以在電容器支路側(cè)加裝串聯(lián)電抗器來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波的抑制。加裝電抗器后必須使電容器支路在高次諧波頻率下呈感性，起到抵制諧波電流的效果，基波頻率下呈容性，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。

可以通過(guò)加裝電抗器后的情況進(jìn)行分析，圖4為系統(tǒng)的簡(jiǎn)化圖，可以等效出電網(wǎng)的等值電路為圖5。

圖4 系統(tǒng)簡(jiǎn)化接線圖

圖5 等值電路圖

在某次諧波電流的情況下，電容器支路的阻抗值為nXL-XC/n。

經(jīng)分析可以得到系統(tǒng)側(cè)諧波電流為

電容器支路的諧波電流為

由于基波參數(shù)不變，故支路電流ICn和ISn是頻率的函數(shù)。令電容器串電抗器支路的諧波電抗與系統(tǒng)諧波電抗之比為

圖6 諧波電流放大曲線

圖6為加裝電抗器后的諧波電流的放大曲線圖形，可以看出在電容器串聯(lián)電抗器后的系統(tǒng)諧波電流、電容器支路諧波電流對(duì)諧波源的諧波電流的關(guān)系［8］。在-0.5＜α＜0時(shí)，電容器側(cè)為容性，諧波電流被放大為n次諧波電流的2倍以下，可以實(shí)現(xiàn)濾波的作用。此時(shí)有較高的諧波電流，設(shè)備容易擊穿。

在α=0時(shí)，在n次諧波阻抗為零，構(gòu)成n次諧波電流的通道，可以完全濾除諧波。在0＜α＜1時(shí)，電容器支路呈感性，系統(tǒng)諧波電流ISn與電容器側(cè)諧波電流ICn都大于0，有效保護(hù)電容器。當(dāng)出現(xiàn)α＞1時(shí)，電容器側(cè)諧波電流ICn＞系統(tǒng)諧波電流ISn，大部分諧波電流倒送電網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。少量的諧波電流進(jìn)入電容器支路，保證進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。串聯(lián)電抗器進(jìn)行諧波抑制必須要求達(dá)到α＞0，才不會(huì)發(fā)生諧波電流放大。

3.4.1 選擇合適的電抗率

選擇合適的電抗率是諧波抑制的關(guān)鍵問(wèn)題，由于電抗率是電抗器的感抗與電容器的容抗的比值，A=XL-XC。電容器支路的諧波電流為

要求ICn必須大于0才能保證諧波電流不會(huì)被放大，電容器支路的諧波電流、系統(tǒng)側(cè)諧波電流都小于諧波源的諧波電流。

針對(duì)3次諧波時(shí)，A＞11.11，一般選用12%的電抗率，同時(shí)在5、7次諧波時(shí)電容器支路的諧波電流較小，工況特殊的時(shí)候(3次諧波電流含量超過(guò)50%)建議使用13%，14.8%的電抗率。

針對(duì)5、7次諧波時(shí)，A＞4，一般選用4.5%的電抗率，同時(shí)在7次諧波時(shí)電容器支路的諧波電流較小，在抑制5、7次諧波時(shí)采用6%及以上的電抗率。實(shí)際設(shè)計(jì)中為保護(hù)電容器運(yùn)行時(shí)，都建議采用7%的電抗率，減少流入電容器的諧波電流的比例［9］。

加裝串聯(lián)電抗器是最簡(jiǎn)單易行的方式，并且投資資金比較少，但這種方式只能讓電容器支路與系統(tǒng)分流諧波電流。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為保護(hù)電容器支路的正常運(yùn)行，往往通過(guò)加大電抗率來(lái)提高電容器支路的諧波阻抗，保證電容器支路承受少量的諧波電流，總電流在其額定電流以下，同時(shí)讓多數(shù)的諧波電流反饋電網(wǎng)。

3.4.2 電容器電壓的選擇

在串有電抗器的電容器支路，電抗器呈感性，電容器呈容性，電容器兩端的電壓為UC=US+UL，同時(shí)A=XL/XC，即UC=US/(1-A)。電容器在加裝電抗器后會(huì)升壓，電容器的額定電壓要根據(jù)電抗率與母線電壓進(jìn)行選擇。

表2 加裝13%電抗器的補(bǔ)償支路的實(shí)測(cè)情況

表3 加裝電抗器的系統(tǒng)側(cè)補(bǔ)償前后的實(shí)測(cè)情況

在針對(duì)3次諧波，采用12%的電抗率時(shí)，并聯(lián)與電壓為400 V的母線上時(shí)，電容器兩端的電壓為454.6 V，則必須選擇電容器的額定電壓為480 V或500 V。針對(duì)5、7次諧波，采用7%的電抗率時(shí)，并聯(lián)于電壓為400 V的母線上時(shí)，電容器兩端的電壓為430.1 V，則最低選擇電容器的額定電壓為450 V。

3.4.3 電容器的容量的選擇

現(xiàn)在選擇補(bǔ)償總?cè)萘恐饕鶕?jù)設(shè)備的有功功率與功率因數(shù)來(lái)計(jì)算單個(gè)設(shè)備所需要的無(wú)功容量，再使用利用率相乘，得到無(wú)功補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘浚@樣的計(jì)算結(jié)果有比較高的精度。

選擇電容器分組時(shí)，現(xiàn)在主要采用等容量的方式，一般采用8～10組比較好，每次投入的時(shí)候可以投入較小的容量，產(chǎn)生較小的涌流，電容器分組可以根據(jù)現(xiàn)在情況合理地選擇。

3.4.4 電容器支路開關(guān)的選擇

電容器補(bǔ)償柜的一次回路的控制開關(guān)主要有切換電容接觸器、智能復(fù)合開關(guān)、可控硅開關(guān)等。可控硅開關(guān)是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向，其投入時(shí)沒(méi)有涌流，切除時(shí)涌流較小，動(dòng)作速度快的特點(diǎn)已經(jīng)得到重視［11］。

開關(guān)設(shè)備的額定電流可以根據(jù)電容器的額定參數(shù)進(jìn)行選擇，在電網(wǎng)含有諧波的時(shí)候可以按電容器額定參數(shù)的1.5～2.0來(lái)選擇設(shè)備。

3.5 采用加裝電抗器的改造實(shí)例

表2是對(duì)改造后電容器補(bǔ)償支路的測(cè)試情況［4］，表3是在系統(tǒng)的低壓母線處測(cè)試情況，兩次測(cè)試分別是沒(méi)有無(wú)功補(bǔ)償與電容器串聯(lián)電抗率為13%的電抗器后的情況。

經(jīng)過(guò)項(xiàng)目改造前后實(shí)測(cè)的補(bǔ)償支路的電能質(zhì)量的分析，可以看出加裝電抗器后補(bǔ)償支路的電流諧波的畸變率由60%下降到4%，5次諧波電流有明顯的下降，同時(shí)總電流下降到允許的范圍，諧波電流抑制效果非常明顯。

根據(jù)系統(tǒng)的低壓母線處測(cè)試補(bǔ)償前后的情況，系統(tǒng)的諧波電流以5次諧波為主，含有部分的3次諧波。此時(shí)無(wú)功功率得到補(bǔ)償，變壓器的利用率得到提高。無(wú)功補(bǔ)償后總電流下降近40%，諧波總電流的下降近15%。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)功功率補(bǔ)償、諧波冶理是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)的低壓配電系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題。如今純電容器的補(bǔ)償柜在諧波含有量很少的工業(yè)和民用得到廣泛的應(yīng)用。面對(duì)大量產(chǎn)生諧波的用電設(shè)備，低壓配電系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)電容器補(bǔ)償支路提出了更高的要求，抑制諧波、濾除諧波的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。補(bǔ)償支路加裝電抗器進(jìn)行諧波抵制是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的方法，選擇合適的電抗率還是有很大的困難，必須經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試與設(shè)備的分析來(lái)選擇。現(xiàn)在串聯(lián)電抗器進(jìn)行諧波抑制還是首選方案，基于電力電子技術(shù)的有源濾波器應(yīng)用將會(huì)對(duì)未來(lái)建設(shè)干凈電網(wǎng)發(fā)揮重要的作用。

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