1、浅谈无功补偿电容器的谐波放大问题摘要 电网中存在的谐波与大量运行的并联电容器,由于相互作用会产生谐波放大甚至出现并联谐振,严重影响电能质量,危及电网的安全经济运行.分析了并联补偿电容器谐波放大的原理,说明了其对电网造成的危害,并提出抑制谐波放大的实施对策.关键词 电力系统;谐波;电容器; 电抗器;电抗率1 引言随着现代工业的发展,大量的电弧炉和换流设备等非线性用电设备的不断接入电网,产生了大量的谐波电流注入系统,造成电压波形畸变,谐波的影响和危害呈现出更加明显和加重的趋势.电容器是一种对谐波极为敏感的电气设备,其容抗随频率的变化而变化.电力系统中,受谐波影响而造成电容器过电流或过电压,使绝缘损
2、坏或寿命缩短的问题时有发生.如何减少和避免谐波对电容器的影响和损害,选择正确、合理的解决方案十分重要.本文从电容器工作的特性、原理出发,就谐波对电容器的影响、危害,防范与控制方法,以及实际操作中的一些问题做如下分析,并就解决办法提出自己的一点见解供探讨.2 傅立叶分解电压波形发生畸变,就意味着它的波形变成非正弦波,由于这种非正弦波是周期性的,所以可用傅立叶级数表达式将它分解为基波和各种倍数频率的高次谐波.作用于电容器上的非正弦电压可分解为:(1)(其中:为与时间无关的畸变波的直流分量,表示基波,表示第 k 次谐波分量)令,将式(1)写成一般形式为(2)其有效值为(3)(式中:为基波电压有效值,
3、表各次谐波电压波形畸变率,)当次谐波电压为时,此时流过电容器的非正弦电流为(4)其有效值为:(5)式(5)即为高次谐波引起电容器过电流的一般表达式.由上分析可知:1)高次谐波的存在使电容器中的总电流有效值大于基波电流,这就可能导致电容器的过电流超过允许值.2)由式(3) 和式(5)可知,在电压有效值公式中各次谐波畸变率前的系数都等于 1,而电流有效值的公式中这些系数则等于各次谐波的平方.因此,当电压有效值的增长不显著时,电流有效值却可能增长愈显著. 3 谐波引发的电容器问题及主要原因3.1 并联电容器对谐波电流具有放大作用电容对谐波电流的放大原理 t 如果电力系统中没有电容设备且不考虑输电线路
4、电容,则其谐波阻抗(6)(6)式中系统的次谐波电阻,次谐波电抗,工频短路电抗 .并联电容后,设并联电容器基波电抗为,次谐波电抗为,系统的谐波等效电路如图 l 所示,则系统的次谐波阻抗值为图 1 系统的谐波等效电路(7)由(7)式可以看出,装设电容器后系统的谐波阻抗随系统的谐波频率不同会发生变化 ,即可以为感性也可以为容性,并且当系统的谐波频率达到某一特定值时,并联电容器可能会与系统发生并联谐振,使等效谐波阻抗达到最大值.谐波源产生的谐波电流的大小取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况,而与电网参数无关.也就是说,电力系统中主要谐波源为电流源,其主要特征是外阻抗变化时电流不变.假设谐波源为次谐波
5、电流注入电力系统,为进入电网的谐波电流,为进入电容器的谐波电流,如图 2所示:图 2 (a)电路 (b)谐波等效电路根据电路计算公式:(8)(9)当时,并联电容器与系统阻抗发生并联谐振,由于 、,此时、均远大于,所以谐波电流被放大.因,故谐振点的谐波次数为,即 当谐波源中含有次数为的谐波时,将引起谐振.若谐波源中含有次数接近的谐波,虽不会发生谐振,但也会导致该次谐波被放大.3.2 谐波引发的电容器问题由于容抗与电源频率成反比,当高次谐波电压作用于电容器组上时,因高频率谐波使电容器容抗减小,所以通过电容器内的电流增大;换言之,此时,在基波电流的基础上又增添了电流谐波分量,这样波形势必发生畸变,结
6、果使系统阻抗产生谐波过电压叠加于原电压上,造成电压波形畸变.同时,通过电容器组的电流还与其电容量有关,容量愈大,容抗愈小,进而使电流更大,故在投入大容量电容器组时,上述电压畸变更为严重.谐波过电压不仅会使系统电流、电压的波形发生畸变,而且还会造成:电能质量变坏; 电气设备损耗增加;电气设备出力降低 ;绝缘介质加速老化;设备使用寿命降低或因长期过热损坏;影响控制、保护、检测装置的工作精度及工作可靠性.特别是因高次谐波激发引起谐振的情况下,极易导致电容器过负荷、发热、振动及异常噪声直至最终被烧毁,同时还可能引起过流保护误动作、熔断器熔丝熔断、电容器组无法合闸等事故或障碍.尤其当电容器组距离谐波源较
7、近处,所造成的后果更为严重.由于电容器对谐波电流的放大作用,它不仅危害电容器本身,而且会危及电网中的其它电气设备,严重时会造成电气设备损坏,甚至破坏电网的正常运行,因此,必须要解决好电容器对谐波电流的放大问题,加强谐波的抑制与防范. 4 串联电抗器的选择与应用实施技术手段对谐波进行抑制非常重要,常用的方法是采用串联电抗器.通常电力系统高次谐波电流主要是 3、5、7等奇次分量,故必须重点考虑实施防范奇次谐波对电容器组造成危害的对策.图 3 谐波等效电路根据并联电容器对谐波电流放大的原理,改变并联电容器与系统阻抗的谐振点,避免谐振发生,可以有效地解决并联电容器对谐波的放大.通常的做法是给并联电容器
8、串接一个电抗器,其等效电路如图 3 所示,为串接电抗器的基波电抗,由于通常情况下,忽略 ,串接电抗后,(10)(11)由(10)、(11)两式可以看出,当时,并联电容器此时将与系统发生并联谐振,谐振点的谐波次数与未串接电抗器之前相比,谐振点谐波次数明显低于未串接电抗器时的谐波次数,且串接的电抗器电感量越大,谐波次数越低.因此,通过串接电抗器电感量大小控制并联谐振点的位置,能够有效避开谐波源中所包含的各次谐波,避免谐振的发生.综上所述,欲抑制谐波谐振,必须使,即.抑制 5 次谐波时, (三相全控整流装置产生的最低次特征谐波), 则,又考虑到电抗值应有一定的裕度,一般取值范围:1.21.5, 亦即
9、.注: 在并联电容器装置设计规范GB50227-95 中推荐:抑制 5 次谐波的串联电抗器的电抗率为. 抑制 3 次谐波时, (单相可控硅整流装置产生的最低次特征谐波), 则,又考虑到电抗值应有一定的裕度,一般取值范围:1.21.5, 亦即.注: 在并联电容器装置设计规范GB50227-95 中推荐:抑制 3 次谐波的串联电抗器的电抗率为 .在并联电容器支路中串联电抗器的电抗器为 12%时,对于 3 次谐波和 3 次以上的各次谐波,该支路均呈现感抗,因而有效地抑制了谐波电流对并联电容器的影响.串联电抗器的调谐频率应低于电网中的谐波电流的最低频率,如果系统中有大量单相非线性负载,那么串联电抗器的
10、电抗率应为 12%.5 对策综合以上分析可以看出,电力系统中谐波引发电容器问题的主要原因,一是电容器对谐波电流放大引发的电容器附加绝缘介质损耗加大;另一个是谐波电压使电容器承受的端电压增大,造成局部放电.抑制谐波放大的通常做法就是在并联电容器回路内串接具有一定电抗值的电抗器.综合考虑电力系统中谐波来源的复杂性,电力系统安装并联电容无功补偿设备是为了实施无功功率补偿的主要目的:(1)在保证电容器不受损害的前提下,并联电容器串接电抗器的电抗率可适当选择一个下限值 ,尽量避免注入系统的谐波电流过大,从而给系统中其它设备和电网带来不利影响.(2)根据规范,在电容器允许过电流、过电压等范围内,允许电容器
11、吸收一部分谐波 ,以减少谐波过多进入系统造成损坏.(3)对于已经投运或者有类似运行经验的变电所,应根据实测或相关经验进行综合分析 ,选择电抗器的电抗率.(4)对于相对复杂而又难以抑制的谐波问题,通过测试分析 ,可以采取滤波、抑波相结合的方案.6 结束语随着电能质量治理工作的深入开展,除对谐波污染的程度、影响进行有效测试分析外,要消除谐波污染,还必须依靠各部门的配合努力,在用户使用非线性负载时,将根据实际情况督促其采取有力的抑制谐波的措施,减小谐波侵入电网,从而真正确保系统设备安全运行、减少由于谐波污染带来的经济损失. 参考文献1邱关源 电路(上、下册) 高等教育出版社,1996 年2 陈珩 电力系统稳态分析 水利电力出版社,1995 年3并联电容器装置设计规范 GB50227-95
