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(tǒng)常見的無功補(bǔ)償方式主要有同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器組以及并聯(lián)電抗器，其中使用最為廣泛的為并聯(lián)電容器組，但是在運(yùn)行的供電系統(tǒng)中通常存在大量的高頻電流諧波，這在一定程度上會導(dǎo)致電容器發(fā)生故障，該文從在并聯(lián)電容器組上串聯(lián)合適電抗率的電抗器角度進(jìn)行分析，找出含有不同諧波的電力系統(tǒng)適合使用電抗器的電抗率，為在保障電容器安全運(yùn)行的前提下選擇經(jīng)濟(jì)的電抗器提出理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償 電容器組 安全運(yùn)行 諧波 電抗率

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

工業(yè)的發(fā)展離不開電力的支撐，隨著近代工業(yè)的迅速發(fā)展電力系統(tǒng)容量也隨之飛速增長，電力需要傳輸?shù)木嚯x不斷變長，發(fā)電機(jī)容量不斷增大和電網(wǎng)電壓等級的不斷提高是電網(wǎng)發(fā)展的必然結(jié)果。隨著電網(wǎng)發(fā)展，負(fù)荷不斷增多，其內(nèi)部組成變得日益龐大和復(fù)雜。隨著電網(wǎng)接入負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求增高，對電能質(zhì)量的相關(guān)考核也會日漸嚴(yán)苛，對電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性要求也越來越嚴(yán)格。衡量電能質(zhì)量好壞最重要的參數(shù)之一就是波形，波形畸變的嚴(yán)重程度與無功功率息息相關(guān)。在普通的交流電力系統(tǒng)中負(fù)載主要以感性負(fù)載為主，如果缺少無功功率，容易引起負(fù)荷端電壓降低，同時會導(dǎo)致電力系統(tǒng)線損增多，降低電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性，如果無功短缺情況非常嚴(yán)重時，甚至引起電網(wǎng)的崩潰。

在常用的電網(wǎng)無功功率補(bǔ)償方法中，安裝電容器組是目前使用最普遍和最經(jīng)濟(jì)的?，F(xiàn)階段我國電力發(fā)電裝機(jī)組總?cè)萘恳堰_(dá)13億kW以上，容性無功裝機(jī)容量已達(dá)6億kVar以上，而容性無功補(bǔ)償裝置主要以并聯(lián)電容器組為主，這說明采用并聯(lián)電容器組確實(shí)有效降低電力系統(tǒng)的線損，同時提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，最終達(dá)到提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的作用。

雖然目前電力系統(tǒng)普遍采用的無功補(bǔ)償方法是并聯(lián)電容器組，但是并聯(lián)電容器組在運(yùn)行過程也出現(xiàn)了一些問題，例如，并聯(lián)電容器組運(yùn)行中故障率比其他設(shè)備高。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)引起電容器運(yùn)行時發(fā)生故障的因素復(fù)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(dǎo)致電容器產(chǎn)生過電壓的最主要因素還是電力系統(tǒng)危害之一——諧波。

隨著電磁設(shè)備、大電流開關(guān)以及電力電子技術(shù)接入電力系統(tǒng)的增多，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，如易飽和的線圈型設(shè)備、大電流交流開關(guān)、整流及逆變裝置，均會在使用過程中導(dǎo)致電壓波形發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生諧波。電力系統(tǒng)中隨時投入和退出的沖擊性以及波動性負(fù)載也會導(dǎo)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(tǒng)的瞬間不僅會產(chǎn)生大量高頻次諧波，而且會使電壓波形畸變率變大，導(dǎo)致三相不平衡日趨嚴(yán)重。這不僅會導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，諧波嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行。并聯(lián)電容器組與電抗器的參數(shù)如果配合不好，可能會導(dǎo)致并聯(lián)電容器組回路發(fā)生諧振，可能會在電容器兩端感應(yīng)出過電壓，引起電容器故障。

并聯(lián)電容器組作為電力系統(tǒng)不可或缺的一種設(shè)備，為了避免諧波在其上形成過電壓從而對電力系統(tǒng)造成破壞，必須在并聯(lián)電容器組上串聯(lián)電抗率合適的電抗器配合使用。在并聯(lián)電容器裝置接入系統(tǒng)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(chǎn)生一定的諧波放大。在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器是非常有效和可行的抑制諧波放大的方法。串聯(lián)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(wǎng)諧波的過度放大和諧振發(fā)生。但是串聯(lián)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(lián)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(dāng)電力系統(tǒng)側(cè)有諧波源時，電容器組接入系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)等效基波阻抗電流，Icn為電容器和電抗器電流。

當(dāng)電容器支路與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)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(dāng)n次諧波的頻率趨近于諧振頻率f時，就會發(fā)生并聯(lián)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(tǒng)（包括負(fù)荷）存在等值電阻，Icn和Isn實(shí)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(yīng)出可能危害設(shè)備安全的過電壓，此時諧振點(diǎn)的諧波次數(shù)為n0，其計(jì)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(shù)越低。因此可通過串入電抗器的電感量大小控制并聯(lián)諧振點(diǎn)位置，從而達(dá)到避開諧波源的各次諧波。

電容器與串聯(lián)電抗器發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振點(diǎn)的諧波次數(shù)為：

（3）

此時諧波電流完全流入電容器支路，當(dāng)n>n1時，nXL-Xc/n>0，0

2 電容器組串聯(lián)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(shù)，電抗率的大小直接影響它的作用和系統(tǒng)的安全。

2.1 避開諧波導(dǎo)致的并聯(lián)諧振區(qū)

電容器裝置工作在并聯(lián)諧振區(qū)附近時，諧波電流將會放大幾倍甚至數(shù)十倍（發(fā)生并聯(lián)諧振時）。這對系統(tǒng)，特別對電容器和與之串聯(lián)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(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行受到影響，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰，應(yīng)合理調(diào)整電抗率避免電網(wǎng)中有諧波源的諧波次數(shù)處于該區(qū)域。

由前面的串聯(lián)電抗器諧波抑制電路分析可知，發(fā)生并聯(lián)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(wǎng)中有諧波源的諧波次數(shù)處于該區(qū)域，保證設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 選擇電力系統(tǒng)諧波均處于非放大區(qū)

當(dāng)電容器裝置接入處母線中諧波含量對電網(wǎng)具有威脅性含量及以上時應(yīng)選擇非放大區(qū)。由式（3）推導(dǎo)出電容裝置諧波非放大區(qū)的關(guān)系式：

其中A=XL/Xc，由此可以推導(dǎo)出：

（4）

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

目前，國內(nèi)并聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)中使用電抗率分別為0.5%、4.5%、6%和12%的電抗器串聯(lián)并聯(lián)電容器組，其對應(yīng)的A和n1值如表1中所示。

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

3 實(shí)際電力系統(tǒng)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(tǒng)的成本，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。因此在實(shí)際電力系統(tǒng)中，應(yīng)該根據(jù)電力系統(tǒng)的諧波特點(diǎn)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(jù)實(shí)測的結(jié)果選取，使電容器與串聯(lián)電抗器得到正確的匹配。

（1）當(dāng)電容裝置接入處的背景諧波主要含量為3次諧波，應(yīng)該選擇電抗率為12%的串聯(lián)電抗器，避免電容器回路對3次諧波放大，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(yīng)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(jīng)濟(jì)性。但是在投運(yùn)相關(guān)電容器組時，應(yīng)該先投運(yùn)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(dāng)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(lián)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(jīng)驗(yàn)算電容裝置投入后，3次諧波有所放大，但未超標(biāo)且有裕度，應(yīng)選用電抗率0.5%串聯(lián)電抗器，在該系統(tǒng)中不影響系統(tǒng)安全運(yùn)行的情況下，最大的保證了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

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