電容組成套裝置串抗電抗率的選擇

趙修文++歐陽斌

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.116

摘 要：目前電力系統常見的無功補償方式主要有同步調相機、并聯電容器組以及并聯電抗器，其中使用最為廣泛的為并聯電容器組，但是在運行的供電系統中通常存在大量的高頻電流諧波，這在一定程度上會導致電容器發生故障，該文從在并聯電容器組上串聯合適電抗率的電抗器角度進行分析，找出含有不同諧波的電力系統適合使用電抗器的電抗率，為在保障電容器安全運行的前提下選擇經濟的電抗器提出理論依據。

關鍵詞：無功補償 電容器組 安全運行 諧波 電抗率

中圖分類號：TM5314 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0116-02

工業的發展離不開電力的支撐，隨著近代工業的迅速發展電力系統容量也隨之飛速增長，電力需要傳輸的距離不斷變長，發電機容量不斷增大和電網電壓等級的不斷提高是電網發展的必然結果。隨著電網發展，負荷不斷增多，其內部組成變得日益龐大和復雜。隨著電網接入負荷對電能質量的要求增高，對電能質量的相關考核也會日漸嚴苛，對電力系統的運行穩定性要求也越來越嚴格。衡量電能質量好壞最重要的參數之一就是波形，波形畸變的嚴重程度與無功功率息息相關。在普通的交流電力系統中負載主要以感性負載為主，如果缺少無功功率，容易引起負荷端電壓降低，同時會導致電力系統線損增多，降低電網的經濟性，如果無功短缺情況非常嚴重時，甚至引起電網的崩潰。

在常用的電網無功功率補償方法中，安裝電容器組是目前使用最普遍和最經濟的。現階段我國電力發電裝機組總容量已達13億kW以上，容性無功裝機容量已達6億kVar以上，而容性無功補償裝置主要以并聯電容器組為主，這說明采用并聯電容器組確實有效降低電力系統的線損，同時提高電力系統的電能質量，最終達到提高電力系統穩定性和經濟性的作用。

雖然目前電力系統普遍采用的無功補償方法是并聯電容器組，但是并聯電容器組在運行過程也出現了一些問題，例如，并聯電容器組運行中故障率比其他設備高。經分析發現引起電容器運行時發生故障的因素復雜，在影響電容器故障的眾多因素中最主要的還是過電壓，而導致電容器產生過電壓的最主要因素還是電力系統危害之一——諧波。

隨著電磁設備、大電流開關以及電力電子技術接入電力系統的增多，供電系統中增加了大量的非線性負載，如易飽和的線圈型設備、大電流交流開關、整流及逆變裝置，均會在使用過程中導致電壓波形發生畸變，從而導致電網產生諧波。電力系統中隨時投入和退出的沖擊性以及波動性負載也會導致電壓波形畸變，如大功率鋼廠、大功率電車等，它們在投入和退出系統的瞬間不僅會產生大量高頻次諧波，而且會使電壓波形畸變率變大，導致三相不平衡日趨嚴重。這不僅會導致供用電設備本身的安全性降低，而且會嚴重削弱和干擾電網的經濟運行，諧波嚴重影響了電網的經濟、穩定運行。并聯電容器組與電抗器的參數如果配合不好，可能會導致并聯電容器組回路發生諧振，可能會在電容器兩端感應出過電壓，引起電容器故障。

并聯電容器組作為電力系統不可或缺的一種設備，為了避免諧波在其上形成過電壓從而對電力系統造成破壞，必須在并聯電容器組上串聯電抗率合適的電抗器配合使用。在并聯電容器裝置接入系統處的諧波問題未完全治理前，如果不采取必要的措施，可能產生一定的諧波放大。在并聯電容器的回路中串聯電抗器是非常有效和可行的抑制諧波放大的方法。串聯電抗器的主要作用是抑制高次諧波和限制合閘涌流，防止諧波對電容器造成危害，避免電容器裝置的接入對電網諧波的過度放大和諧振發生。但是串聯電抗器絕不能與電容器組任意組合，更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。文章著重就串聯電抗器抑制諧波的作用展開分析并提出電抗率的選擇方法。

1 電路分析

當電力系統側有諧波源時，電容器組接入系統的n次諧波等效電路分析模型如圖1所示，其中In為n次諧波電流，XC為電容器組基波容抗，XL為電抗器基波阻抗，XS為系統等效基波阻抗，其中電抗率A=XL /XC。

其中為In次諧波等效電路中總電流，Isn為系統等效基波阻抗電流，Icn為電容器和電抗器電流。

當電容器支路與系統發生并聯諧振，即nXs=Xc/n-nXL時：

（1）

由Xc=ωCc，XL=ωLL，XS=ωLs、ω=2πf，得出諧振頻率。

當n次諧波的頻率趨近于諧振頻率f時，就會發生并聯諧振，此時電路中的U與I同相位，由于（1）式分母nXs+（nXL-Xc/n）→0，故在In>0時，且不論為何值，Icn=∞，Isn=∞，由于系統（包括負荷）存在等值電阻，Icn和Isn實際是有限量大值，但其值仍大大超出正常電流值，在電容器和電抗器兩端感應出可能危害設備安全的過電壓，此時諧振點的諧波次數為n0，其計算如公式（2）所示：

（2）

由式（2）看出，串入的電抗器電感量越大，諧振次數越低。因此可通過串入電抗器的電感量大小控制并聯諧振點位置，從而達到避開諧波源的各次諧波。

電容器與串聯電抗器發生串聯諧振，諧振點的諧波次數為：

（3）

此時諧波電流完全流入電容器支路，當n>n1時，nXL-Xc/n>0，0

2 電容器組串聯電抗器的電抗率選擇范圍

電抗率是電抗器的一個重要參數，電抗率的大小直接影響它的作用和系統的安全。

2.1 避開諧波導致的并聯諧振區

電容器裝置工作在并聯諧振區附近時，諧波電流將會放大幾倍甚至數十倍（發生并聯諧振時）。這對系統，特別對電容器和與之串聯的電抗器形成很大的威脅，常常使得電容器和電抗器燒毀，導致電力系統運行受到影響，嚴重的甚至會導致電力系統崩潰，應合理調整電抗率避免電網中有諧波源的諧波次數處于該區域。

由前面的串聯電抗器諧波抑制電路分析可知，發生并聯諧振的條件為nXs=Xc/n-nXL，即nXs=Xc/n-nAXc，可得出A=XL/Xc=1/n21-Xs/Xc，因此，選擇電抗率A>1/n21-Xs/Xc能夠避免電網中有諧波源的諧波次數處于該區域，保證設備正常運行。

2.2 選擇電力系統諧波均處于非放大區

當電容器裝置接入處母線中諧波含量對電網具有威脅性含量及以上時應選擇非放大區。由式（3）推導出電容裝置諧波非放大區的關系式：

其中A=XL/Xc，由此可以推導出：

（4）

滿足式（4）的條件時，電容支路和電力系統等效支路均不會放大諧波電流，諧波放大現象得到了抑制。

目前，國內并聯電容器配置電抗器的電抗率主要有以下4種類型：0.5%、4.5%、6%和12%。

目前電力系統主要諧波為3次諧波、5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波、17次諧波，如果在含有以上諧波源的電力系統中使用電抗率分別為0.5%、4.5%、6%和12%的電抗器串聯并聯電容器組，其對應的A和n1值如表1中所示。

由于，電抗率0.5%的電抗器應該串入主要含14.14次及以上諧波的電力系統的電容器組中；電抗率4.5%的電抗器應該串入主要含4.71次及以上諧波的電力系統的電容器組中；電抗率6%的電抗器應該串入主要含4.08次及以上諧波的電力系統的電容器組中；電抗率12%的電抗器應該串入主要含2.89次及以上諧波的電力系統的電容器組中。

3 實際電力系統中電抗率的選擇

電抗率如果選擇太高則會增加電抗器的成本，會增加電力系統的成本，影響系統的經濟性。因此在實際電力系統中，應該根據電力系統的諧波特點選擇合適擁有電抗率的電抗器。要做到合理選用電抗率，必須了解電容裝置接入處母線的背景諧波，根據實測的結果選取，使電容器與串聯電抗器得到正確的匹配。

（1）當電容裝置接入處的背景諧波主要含量為3次諧波，應該選擇電抗率為12%的串聯電抗器，避免電容器回路對3次諧波放大，影響電力系統安全穩定運行。

（2）電容裝置接入處的背景諧波以3次諧波和5次諧波為主，且兩者含量均較大，應該采用電抗率為6%和電抗率為12%兩種電抗率混裝方式，以保證抑制3次諧波和3次諧波放大為前提同時又考慮到經濟性。但是在投運相關電容器組時，應該先投運電抗率高的電容器組，再投低電抗率的電容器組，切除則相反。

（3）當電容裝置接入處背景以5次諧波為次及以上為主時，選用6%串聯電抗器。

（4）電容裝置接入處背景諧波以3次諧波為主，5次諧波及以上諧波含量較小，且經驗算電容裝置投入后，3次諧波有所放大，但未超標且有裕度，應選用電抗率0.5%串聯電抗器，在該系統中不影響系統安全運行的情況下，最大的保證了電力系統的經濟性。

參考文獻

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