電纜電容對(duì)港口供配電系統(tǒng)諧波放大作用的分析

初洋

（山東港通工程管理咨詢有限公司,山東 煙臺(tái)264000）

直流輸電工程項(xiàng)目的展開(kāi),使得電網(wǎng)當(dāng)中產(chǎn)生的諧波含量不斷增加,進(jìn)一步影響電能質(zhì)量,對(duì)于港口供配電系統(tǒng)中各個(gè)用電設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的威脅,從而降低港口企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。針對(duì)這一問(wèn)題,開(kāi)展電纜電容對(duì)港口供配電系統(tǒng)諧波放大作用分析研究。

1 電纜電容器組運(yùn)行限值

在港口供配電系統(tǒng)當(dāng)中,根據(jù)日常運(yùn)行的供配電需要,電纜電容通常采用由微機(jī)控制的并聯(lián)式電纜電容設(shè)備組成,針對(duì)其運(yùn)行的各項(xiàng)需要,在正式使用電纜電容前,需要對(duì)其基波無(wú)功功率進(jìn)行分相分析,但由于在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波并且隨之而來(lái)的放大作用,在不進(jìn)行任何補(bǔ)救措施下,諧波的不斷疊加會(huì)直接影響供配電系統(tǒng)線路的工作電壓,使其出現(xiàn)上升的趨勢(shì),進(jìn)而出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。進(jìn)一步造成注入到電纜電容當(dāng)中的諧波容抗以及供配電系統(tǒng)感抗逐漸趨近于相同,引起二者之間的諧振作用,造成電纜電容的嚴(yán)重?fù)p壞,甚至發(fā)生爆炸,威脅到港口供配電系統(tǒng)中其他真正在運(yùn)行設(shè)備的安全性[2]。根據(jù)港口供配電系統(tǒng)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn),電纜電容在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)可以比額定值稍高,并在滿足供配電系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提條件下,得出如表1 所示的運(yùn)行限值。

表1 電纜電容器組運(yùn)行限值

表1 中的電纜電容器組運(yùn)行限值是在允許港口供配電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的前提下得出。但在實(shí)際情況中,電纜電容由于處于長(zhǎng)時(shí)間的臨界狀態(tài)。雖然不會(huì)產(chǎn)生絕緣擊穿等安全事故問(wèn)題,但由于受到諧波放大作用的影響,電纜電容器組的介質(zhì)損耗會(huì)不斷增加,進(jìn)而造成電纜電容的額外發(fā)熱,最終影響電纜電容的使用壽命。

2 電纜電容諧波電流放大機(jī)理

根據(jù)港口供配電系統(tǒng)的導(dǎo)則規(guī)定,在規(guī)格為55～220kV 的變電站的站中,電纜電容通常設(shè)置在變壓裝置低壓側(cè)位置上；對(duì)于供電距離相對(duì)較遠(yuǎn)、末端電壓低于12.5V 的架空線路上,通常利用電纜電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償[3]。首先,考慮電纜電容安裝在變壓裝置低壓側(cè)位置的情況,將港口供配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波看作是恒流源,得出如圖1 所示的港口供配電系統(tǒng)連線圖。

圖1 港口供配電系統(tǒng)連線圖

再根據(jù)圖1 中的連線情況,對(duì)電流和電壓的流動(dòng)方向進(jìn)行分析,得出如圖2 所示的港口供配電系統(tǒng)等值電路圖。

圖2 港口供配電系統(tǒng)等值電路圖

結(jié)合圖1 和圖2 中的港口供配電系統(tǒng)電流和電壓傳輸情況得出：

第一,當(dāng)電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統(tǒng)諧波電抗之比大于零時(shí),電纜電容之路上的阻抗呈感性,供配電系統(tǒng)與電纜電容之路均不會(huì)出現(xiàn)諧波電流放大的現(xiàn)象[4]；

第二,當(dāng)電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統(tǒng)諧波電抗之比等于零時(shí),電纜電容之路上的阻抗呈阻性,此時(shí)諧波次數(shù)逐漸增加,并使得諧波電流嚴(yán)重放大。當(dāng)電纜電容中電抗值在諧波放大作用下,并聯(lián)的電纜電容之路總電抗會(huì)逐漸趨于0；

第三,當(dāng)電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統(tǒng)諧波電抗之比大于1,但小于0 時(shí),電纜電容之路上的阻抗呈容性,電纜電容會(huì)吸收部分的諧波,并發(fā)生電纜電容諧波電流增加的現(xiàn)象,而港口供配電系統(tǒng)的諧波電流也會(huì)在一定程度上受到抑制；

第四,當(dāng)電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統(tǒng)諧波電抗之比等于-1 時(shí),此時(shí)港口供配電系統(tǒng)的支路和與之并聯(lián)的電纜電容之路的諧波電流會(huì)逐漸增加,并最終達(dá)到最大值,伴隨著諧波并聯(lián)諧振的產(chǎn)生,如圖3 所示。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),工頻條件下的供配電系統(tǒng)感抗數(shù)值較大,較小的激勵(lì)電流會(huì)產(chǎn)生巨大的電壓,并使得公共連接點(diǎn)的諧波電壓逐漸增加,最終引起港口供配電系統(tǒng)低壓母線電壓諧波含量的快速增加,在最短的時(shí)間內(nèi)使諧波電壓超出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)范圍；

圖3 電纜電容諧波電路圖

第五,當(dāng)電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統(tǒng)諧波電抗之比小于-1 時(shí),則電纜電容會(huì)向港口供配電系統(tǒng)倒送諧波電流,供配電系統(tǒng)諧波電流則仍然存在較大的放電可能性。

3 電纜電容諧波串并聯(lián)諧振

在港口供配電系統(tǒng)處于工頻條件下,電纜電容的等效感抗通常會(huì)比實(shí)際的等效容抗更小,因此不具備產(chǎn)生諧振的條件。但在這一過(guò)程中,隨著港口供配電系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生,并隨著疊加造成更加明顯的諧振現(xiàn)象,相應(yīng)的供配電阻抗也會(huì)發(fā)生巨大的變化,使得感抗表現(xiàn)出大幅度的增加趨勢(shì),進(jìn)而造成容抗減小。因此,針對(duì)工控供配電系統(tǒng)電纜電容諧波諧振的參數(shù)匹配條件,將其劃分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種不同情況。表2 為串聯(lián)電纜電容、并聯(lián)電纜電容和主變壓各參數(shù)對(duì)應(yīng)表。

表2 串聯(lián)電纜電容、并聯(lián)電纜電容和主變壓參數(shù)表

根據(jù)表2 中的內(nèi)容,在明確不同電纜電容設(shè)備類(lèi)型的前提條件下,再結(jié)合表3 中港口供配電系統(tǒng)中、低壓測(cè)負(fù)載情況,對(duì)串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種情況進(jìn)行分析。

表3 港口供配電系統(tǒng)中、低壓測(cè)負(fù)載情況

當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),電纜電容的容抗和感抗相同,則電路當(dāng)中的電壓和電流相位相同,使電路整體呈現(xiàn)出明顯的電阻性。當(dāng)港口供配電系統(tǒng)電纜電容發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),電路當(dāng)中的總阻抗達(dá)到最小時(shí),使電流達(dá)到最大值。當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí),確保港口供配電線系統(tǒng)始終處于正常運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)中,電纜電容的容抗和感抗始終存在著較大的差異,并且電路當(dāng)中的電壓和電流相位也不相同,電路整體呈現(xiàn)出明顯的電容性。無(wú)論是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振,其產(chǎn)生時(shí)均需要滿足相同的諧振頻率、諧振諧波次數(shù)和電容電感的電抗。但串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振產(chǎn)生時(shí),其電路的品質(zhì)因數(shù)存在較大的差異。

4 結(jié)論

本文通過(guò)開(kāi)展電纜電容對(duì)港口供配電系統(tǒng)諧波放大作用分析研究,從電纜電容的運(yùn)行限值出發(fā),得出港口供配電線同諧波對(duì)電纜電容各項(xiàng)主要運(yùn)行指標(biāo)的定性均造成一定程度的影響,并進(jìn)一步得出電纜電容諧波放大效應(yīng)與諧波諧振參數(shù)匹配條件,得出電纜電容綜合諧波阻抗和港口供配電系統(tǒng)等效諧波電抗之間的關(guān)系,通過(guò)本文研究可為未來(lái)諧波控制提供有效的理論依據(jù)支撐。