用于交直流傳動軋機SVC中常用濾波器分析

王見樂

【摘要】 本文主要介紹用于交直流傳動軋機SVC中常用的幾種無源濾波器，分析他們的性能、參數確定及其檢驗情況。

【關鍵字】 無源濾波 特性 檢驗

隨著非線性負荷的大量使用，無功補償裝置SVC成為維持電壓穩定的重要設備。為濾除負荷引入的諧波，SVC中設置濾波環節是必須的。常用固定電容器組組成無源濾波器，這種方式既起到容性無功補償的作用，又起到濾波的作用。

1.無源濾波器的分類及特點

無源濾波器是由濾波電容器，電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置。無源濾波器分兩種類型：調諧濾波器和高通濾波器。調諧濾波器又分單調諧濾波器和雙調諧濾波器，高通濾波器分一階高通濾波器，二階高通濾波器，三階高通濾波器和C型高通濾波器。

單調諧濾波器通頻帶窄，濾波效果好，損耗小，易調諧，是使用最多的一種類型。雙調諧濾波器可代替兩個單調諧濾波器，但接線復雜，調諧困難，僅在超高壓系統使用。一階高通濾波器因基波損耗大，一般不采用。二階高通濾波器通頻帶寬，濾波效果好，但損耗比單調諧濾波器大，通常用于較高次諧波。C型高通濾波器的濾波效果比二階高通濾波器稍差一些，但基波損耗小，僅限于2、3次濾波，效果很好。因此，本文主要介紹單調諧濾波器、二階高通濾波器和C型濾波器。

2.無源濾波器特性分析

（1）單調諧濾波器

對單次諧波的濾除來說，單調諧濾波器的濾波效果最好，且損耗小。但單調諧濾波器有可能因電力系統頻率變化，環境溫度變化和調諧偏差而在失諧狀態下運行，使濾波效果下降。

設計H次單調諧濾波器需要考慮幾方面的因素：電網的頻率偏差；環境溫度變化引起的電容器電容變化；電容器使用時間較長時，其介質材料老化，導致電容值下降；濾波器在電網工頻的偏差范圍內H次諧波下呈感性。

濾波電容器的基波容抗為：XC = ? （Ue 為電網額定電壓kV；Qj 為該單調諧濾波器的基波容量kVA）；濾波電抗器的基波感抗為： XL =? = 令濾波電抗器的品質因數為q，則濾波電抗器的電阻分量：RL =HF ·XL/q ，濾波器在任一諧波次數h下的阻抗ZF（h） =XC [ +j·（ ）] 。

（2）二階高通濾波器

二階高通濾波器是帶阻尼的寬頻帶濾波器，常用于調諧次數不低于5的高通濾波，其基波損耗較大。

如預選定一H（H≥5）次二階高通濾波電容器的基波容抗XC，濾波電抗器的基波電抗為：XL =XC/HF 2（HF為濾波器的實際調諧次數）。二階高通濾波器的品質因數q一般取1～5。且q越小，濾波器的基頻損耗越大，其特性曲線越平坦，也就是說，濾波器阻抗受頻率變化的影響就越小。

濾波器在任何諧波次數h下的阻抗為：

ZF（h） =XC?

濾波器的基波無功容量為：Qj =

設通過濾波器的h次電流為IFh，波電阻的功率損耗為：PR= 。

（3）C型高通濾波器

當調諧次數小于5時，二階高通濾波器的基波損耗相當大。與其相比，C型高通濾波器的優點就在于在調諧次數小的范圍內基波損耗小。

為了保證基波損耗盡可能小，希望基波電流盡量不從R并聯支路上流過，那么濾波器參數需滿足XL = XC2 ，同時，濾波器在HF （HF =2或3） 次諧波下處于調諧狀態，因此濾波器參數還應滿足 =HFXL ， 因此有：

XC1 =（HF 2 -1）XC2 或 C2=（HF 2 -1）C1，濾波器的基波無功容量：Qj = = 。與二階高通濾波器一樣，C型高通濾波器的幅頻和相頻響應特性受品質因數q影響較大。據實踐總結，C型高通濾波器的q一般取3～15。且q越小，其特性曲線就越平坦，即濾波器阻抗受頻率變化的影響就越小。濾波器最小諧波阻抗基本在2次諧波點處，但實際諧振點隨q值的減小往后偏移。

濾波器在任何諧波次數h下的阻抗

ZF（h） = =

為保證濾波器在理論調諧次數H次諧波下不呈容性，要求

H=2時 HF ≤

H=3時 HF ≤

設通過濾波器的h次電流為IFh，濾波電阻的功率損耗為：

PR=

3. 濾波電容器的安全性能校驗

當電容器承受的電氣條件超出其耐受能力，電容器可能會出現擊穿、膨脹甚至爆炸事件，所以電容器的安全運行是非常令人矚目的。濾波電容器的基本電氣參數有二：額定電容Ce和額定電壓Ue。根據這兩個參數，可計算其它電氣參數：

額定電流：Ie =UeωCe 額定容量：Qe= Ue2ωCe

為了保證濾波電容器所承受的電氣條件在其耐受能力范圍內，其電氣參數Qe、Ue和Ie必需通過以下校驗。

（1）等值發熱校驗

等值發熱主要由電容器介質中基波和諧波有功損耗引起的，分別用下式計算

PC1 =IC12RC1 =QC1tgθ

PCh =ICh2RCh =QChtgθ

（QC1 電容器基波容量，kvar；QCh電容器諧波容量，kvar；tgθ電容器介損角正切值）。

總損耗為 PC =PC1+ΣPCh=（QC1+ΣQCh）tgθ

電容器的最大允許損耗為 PCy =Qe tgθ

電容器應當滿足PC≤PCN這一條件，因此有QC1+ΣQCn≤Qe

（2）過電壓校驗

濾波電容器同時承受基波電壓UC1和各次諧波電壓UCh。為保證電容器的安全運行，電容器額定電壓應滿足UC1+Σ（λ?UCh）≤1.1Ue

式中，λ為峰值諧波過電壓系數，僅適用于交直流傳動軋機的濾波器設計，1.1

倍為按國標規定的電容器允許長期過電壓系數。

【結論】 本文通過對無源濾波器的分析，計算其參數，得出適用于交直流傳動軋機SVC中的三種濾波器（二階高通濾波器、C型濾波器、單調諧濾波器），分別用于濾除高次諧波、低階2、3次諧波和其他單次諧波。

【參考文獻】

呂潤馀，電力系統高次諧波[M]，北京：中國電力出版社，1998.5