論諧波電流對(duì)電力電容器影響

張寧

摘 要：諧波電流的形成與存在會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的影響，本文分析了諧波電流對(duì)電力電容器的影響，進(jìn)一步明確了諧波電流在電容器支路中放大、分流、諧振和發(fā)生并聯(lián)諧振的條件及對(duì)電容器的影響。

關(guān)鍵詞：諧波電流；電力系統(tǒng)；電力電容器

大功率電子設(shè)備是現(xiàn)代電力系統(tǒng)非常重要的污染源之一，這些電子設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)在電網(wǎng)中形成諧波電壓以及電流，它們的存在對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)非常不利的，會(huì)降低電網(wǎng)中電能的傳輸效率，增加輸送損耗，嚴(yán)重的甚至還會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)中電力設(shè)備的損壞。在裝置有無功功率補(bǔ)償電容器時(shí)，某些情況下諧波電流會(huì)被放大，使得電力系統(tǒng)中流經(jīng)電容器的電流超出設(shè)定的額定電流，最終導(dǎo)致電力電容器被燒毀。所以，本文研究諧波電流對(duì)電力電容器的影響，進(jìn)一步明確二者之間的影響關(guān)系，從而提出防止電力電容器因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中諧波電流過載而造成的不利影響的應(yīng)對(duì)措施，確保電力電容器的正常運(yùn)行。

1 電力系統(tǒng)中形成諧波電流的特征

在電力系統(tǒng)中諧波電流的幅值和直流負(fù)載電流成正比，同時(shí)觸發(fā)角以及重疊角的角度也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。在系統(tǒng)中的負(fù)載電流值以及觸發(fā)角角度固定時(shí)，重疊角的角度愈大，諧波電流愈小；當(dāng)重疊角消失時(shí)，電力系統(tǒng)中的諧波電流值處在最大。N次諧波電流的最大值Inmax和基波電流I基之間的關(guān)系可以用下面的公式來表達(dá)：

通過該公式我們能夠得知，諧波電流的最大值和諧波的次數(shù)為反比關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)中的重疊角角度不是零時(shí)，諧波電流幅值可以由諧波電流最大值乘以修正系數(shù)來計(jì)算得出，In=Kn Inmax。修正系數(shù)可以由修正系數(shù)的曲線來得出。

2 電力電容器內(nèi)的諧波電流分析

通常來講，和系統(tǒng)側(cè)及電容器組本身的阻抗相比，整流裝置的諧波阻抗更大。因此，在對(duì)電力電容器內(nèi)的諧波開展分析的過程中，在直流負(fù)載值不變時(shí)，我們可以把諧波源看成恒流源。在這種情況下，諧波電流對(duì)電力電容器的影響作用就主要由電力系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)來決定。大部分狀況下，電力系統(tǒng)中的諧波源和電容器位于一根母線，這時(shí)電路的結(jié)構(gòu)為并聯(lián)電路特征。電力電容器支路串聯(lián)電抗器時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及等值電路示意圖如下圖1所示。

其中：Xs表示電力系統(tǒng)中的基波電抗；xl表示支路中的基波電抗；xc表示電力電容器本身的基波容抗。

通過等值電路公式（2）（3）我們可以得知：

（1）在nxl-xc/n<0時(shí)，Icn>In，諧波電流在支路中呈現(xiàn)放大狀態(tài)；

（2）在nxs+（nxl- xc/n）=0時(shí)，系統(tǒng)電路出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，且在諧振點(diǎn)周圍Icn遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于In，此時(shí)就可能會(huì)出現(xiàn)Icn>Ice，使系統(tǒng)中的電力電容器遭受巨大威脅；

（3）在nxl- xc/n>0時(shí)，Icn>In，這時(shí)系統(tǒng)中的電容器諧波電流值比較小，不會(huì)對(duì)電容器造成很大的威脅。

3 電力電容器的承受極限分析

電壓波形中出現(xiàn)高次諧波的情況下，會(huì)引起高頻電場(chǎng)，在高頻電場(chǎng)中，會(huì)加速電力電容器的老化速度，另外，諧波電流的出現(xiàn)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，使環(huán)境溫度上升。所以，在實(shí)際工作中，如果系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波源以及諧波電流，那么應(yīng)該對(duì)位于其中的電容器承受極限進(jìn)行校驗(yàn)。

電流的極限為：

電壓的極限為：

只有滿足了這些條件，才能夠有效確保電容器處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

4 防止電力電容器因?yàn)橹C波電流過載而造成的不利影響的應(yīng)對(duì)措施

因?yàn)楫?dāng)電力電容器處于有諧波源存在的電力系統(tǒng)中時(shí)，諧波電流被放大后非常有可能導(dǎo)致電容器發(fā)生過載，所以，在設(shè)計(jì)相關(guān)電路時(shí)，要對(duì)諧波源以及諧波電流進(jìn)行充分考量，如果有必要可以采取合適的應(yīng)對(duì)方式，確保電力電容器不會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象，保障其運(yùn)行安全。

（1）加大整流的相數(shù)，對(duì)諧波電流的幅值進(jìn)行限制；

（2）在電容器支路中串聯(lián)電抗設(shè)備，從而使得電容器支路的總阻抗與各次諧波之間呈感性，實(shí)現(xiàn)對(duì)流經(jīng)電力電容器支路諧波電流值的控制。在實(shí)際工作中，可以通過nminxl=kxc/nmin（其中K表示可靠性系數(shù)，其取值范圍是1.2-1.5）來進(jìn)行計(jì)算，確保最低次諧波電路感性。

（3）改變系統(tǒng)接線或者電容器的容量，使其避開并聯(lián)諧振或者諧波的放大條件。

還有，需要注意的是，在實(shí)際工作中如果必要可以把電容器支路做成諧振濾波器的形式來解決諧波吸收以及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)膯栴}。

5 結(jié)語

通過上述分析和研究我們可知，當(dāng)電力系統(tǒng)中存在諧波源時(shí)，如果向其中設(shè)置無功功率補(bǔ)償電力電容器時(shí)，一定要全面考量諧波源以及諧波電流對(duì)電容器正常運(yùn)行的影響，科學(xué)的確定電容器支路參數(shù)，以便于盡可能的降低諧波電流對(duì)電容器的影響，使其處于正常工作狀態(tài)。尤其是要注意的是，盡可能使電路原理諧振點(diǎn)周圍，必要時(shí)可以在電容器支路中串聯(lián)電抗器來降低其影響，從而確保電容器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提升其使用年限和壽命。

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（作者單位：國網(wǎng)遼寧省電力有限公司朝陽供電公司）