關于電容器組串聯電抗器預防諧波過電壓的研究與應用

寶常青

摘要：電力系統中有很多電氣設備是高次諧波的發生源，其產生的高次諧波往往引起系統運行電壓波形的畸變，污染電網，實乃電力系統的公害。諧波電壓如果作用于電容器組上，其危害將更大。對此，解決的辦法，一般采用的是在電容器組上加裝串聯電抗器，該技術在國外已有較成熟的應用經驗，在國內也有廣泛的應用，效果較好。

本文僅就高次諧波對電容器組的危害做以點述，對串聯電抗器預防諧波過電壓技術，在應用方面應予注意的幾個問題做以闡述和分析。

關鍵詞：電容器組；串聯；電抗器；預防；諧波過電壓；應用方法

一、高次諧波對電容器組的危害

通過電容器的電流，不但與電源電壓有關，而且與電源頻率有關，當電源電壓波形發生畸變，高次諧波電壓作用于電容器組上時，因諧波高頻率使電容器組容抗減小，所以電容器組電流增大，換言之，此時，在基波電流的基礎上又增添了電流諧波分量，這樣波形勢必發生嚴重畸變，結果使系統阻抗產生諧波過電壓迭加于原電壓上，造成電壓波形畸變放大。還必須看到通過電容器組的電流還與其電容量有關，容量愈大，容抗愈小，進而使電流更大，故在投入大容量電容器組時，上述畸變過電壓更為嚴重，也可以說大容量電容器組通過對諧波的“吸收”，實施于電容器組上，進一步激發了諧波過電壓的放大作用。

諧波過電壓不僅會使系統電流、電壓的波形發生畸變，而且還會造成：①電能質量變壞；②電氣設備損耗增加；③電氣設備出力降低；④絕緣介質加速老化；⑤設備使用壽命降低或因長期過熱損壞；⑥影響控制、保護、檢測裝置的工作精度及工作可靠性，特別是因高次諧波激發引起諧振的情況下，極易導致電容器過負荷、高熱、振動及異常噪聲直至最終被燒毀，同時還可能引起過流保護誤動作、熔斷器熔絲熔斷、電容器組無法合閘等事故或障礙。尤其當電容器組距離諧波較近處，所造成的后果更為嚴重。為此，實施技術手段對諧波進行抑制非常重要，比如采用串聯電抗器、加裝濾波裝置對電網進行防護就是常用的方法。電容器組在正常運行時，電源電壓波形除基波外，大多情況下還存在多種高次諧波分量，且其次數是基波1的整數倍。通常電力系統高次諧波電流主要是3、5、7……等奇次分量，故必須重點考慮實施防范奇次諧波對電容器組不良影響的對策。我們通常采用諧波濾波裝置對3次諧波進行抑制，采用串聯電抗器對5次及以上諧波進行抑制，下面本文僅就串聯電抗器的選擇和應用問題做重點討論。

二、串聯電抗器的選擇與應用

1、電抗值的確定

抑制高次諧波過電壓宜采用電抗值等于電容器容抗值6%的原則進行選擇，它既能限制諧波電流，又能抑制合閘涌流，且對5次及以上高次諧波的抑制，效果比較理想，基本上可消除掉諧波諧振的發生。比如在某變電所一次主接線中，產生諧波的整流裝置直接接于某變電所的母線上，其產生的諧波電流一方面流入電容器組，另一方面進入電力電網，如附圖所示。

由等效電路可知：

式中：n：諧波次數；

I_cn：電容器組的n次諧波電流；

I_Bn：變壓器的n次諧波電流；

I_n：總n次諧波電流；

X_L：串聯電抗器感抗；

X_C：電容器組容抗；

X_B：變壓器等效感抗。

顯然，若nX_L-X_C/n>0，則電容器組回路呈電感性質，可使諧波電流減小；若nX_L=X_C/n時，則電容器組呈電容性質，使諧波放大，以致母線電壓產生嚴重畸變。綜上所述，欲抑制諧波過電壓，必須使nX_L-X_C/n>0，即X_L>X_C/n²，當n=5（即對5次諧波而言），則X_L>X_C/5²=0.04 X_C，又考慮到電抗值應有一定的裕度，故應引入可靠系數，一般取值范圍：1.2-1.5，亦即X_L=1.5X_C/n²=1.5X_C/52=0.06X_C，由于電抗器與電容器組串聯連接，故應使電抗器最大使用電流等于電容器組最大允許電流，同時要保證滿足以下要求：①電抗器油面溫升不允許超過50℃；②電抗器線圈溫升不允許超過55℃；③在距離電抗器2米處噪音水平不允許超過70dB：④承受25倍電流在持續2秒的情況下，不應產生任何熱損傷及機械損傷，亦即具有可靠的熱穩定和動穩定特性。

2、安裝位置的選擇

如果電容器組為三角形接線，串聯的電抗器一般皆須安裝在電容器組的電源側，該接線，必須要求電抗器具有較高的機械強度，因為在母線短路或者在電容器擊穿短路時，電抗器將要承受很大短路電流的沖擊；如果電容器組為星形接線，串聯的電抗器一般皆安裝在電容器組的中性點處，那么對其機械強度的要求可以些許放寬一些，因為此時在任意處發生短路故障，都不至于危急到串聯電抗器。另一方面必須指出的是，如果變電所母線安裝有兩組及以上并聯電容器組，此時恰由于某種原因僅在一組電容器上加裝了串聯電抗器時，就必須要進行審慎的核算，以防止在產生并聯諧振時，過大的諧波電流使電容器及電抗器燒毀。

三、結束語

綜上所述，經理論和實踐充分證明，電容器組串聯電抗器組成諧振電路可有效降低電容器組在合閘過程中產生的涌流倍數和涌流頻率影響電容器組；能限制操作過電壓，濾除指定的高次諧波，同時采用以上方法對減少電力系統的污染，確保電容器組的安全運行十分有利。