電力系統高次諧波\\諧波放大及諧波對電力電容器的危害

摘要：本文章論述了電力系統高次諧波、諧波的放大，并且闡述了諧波對于電力電容器的危害。

關鍵詞：電力系統高次諧波 諧波放大 電力電容器

1 諧波和諧波源

在電力系統中，基波的功率潮流是以發電機作為功率源，負載只吸收功率。可是對于諧波的功率潮流也許恰好相反，是以負載為功率源。高次諧波源有兩種：電流諧波源和電壓諧波源。各種整流型負荷以及用可控硅調節的負荷，這些非線性的負荷都可以認為是諧波電流源。由于變壓器、發電機等鐵心的磁飽和作用產生了電壓的畸變，所以發電機等旋轉電機以及串補裝置都是諧波電壓源。

2 電容器組的諧波放大

在計算阻抗、感抗、容抗的時候，都會涉及到一個看似十分簡單的參數，那就是頻率（或者角頻率）。說它看似簡單是因為對于基波來說，我們都取50Hz。可是其重要的意義就是對于諧波的頻率是50Hz的整數倍，這就使得感抗和容抗在基波和諧波條件下呈現出不同的數值和狀態。也就可以說諧波引起的一切與基波的不同，都是由這個參數引起的。

無功補償用電力電容器組在電力系統中的存在，為電力系統帶來了大量的容抗。同時，電力系統中絕大部分電力設備是感抗。加上電容器組中的串聯電抗就使得他們組合對于基波來講是正常的，可是在諧波條件下就變的復雜起來。這其中對于電力系統影響和危害最大的就是諧波的放大。

采用串聯電抗的電力電容器組的系統接線圖和等效電路圖如2-1：

圖中，In為系統中同一母線上具有非線性負荷形成的諧波電流源，所以不計其電阻。等效之后的電路圖中XS、XC、XL分別是系統等效電抗、電容器組電抗、電容器并聯電抗器電抗。則得到的諧波電流為：

如圖所示，將β分成a-f區域。對每個區域分析如下：

a區域：系統中本身就具有諧波，可是在這里區域里，系統的諧波伴隨著β的增加而增大，同時電容器支路的諧波電流也在增大，只是放大的不多。

b區域：曲線斜率的增加說明了諧波電流隨著β的增大而迅速增加。

c點：由于諧波電流的頻率和系統對于本次諧波的固有頻率相等，發生了共振現象。由于共振，導致系統諧波和電容器支路的諧波增加到最大，兩者都承擔著高量的諧波。這個點就是系統與電容器支路的并聯諧振點。

在并聯諧振點上，通過圖2-2可以知道此時β=-1。也就是

化簡得：h= （5）

本式就是滿足并聯諧振的條件，h就是諧振的頻率。

并聯諧振對于電容器組以及系統都有很大的危害，是在設計電容器組的過程中必須避免的。諧波對于電力電容器的危害將在下一節闡述。

d區域：在系統和電容器支路的諧波電流發生改變可是諧波依然在放大階段。

進入系統的諧波電流為0，諧波電流完全進入電容器支路。這個點就是串聯諧振點，式子（6）即為滿足串聯諧振的條件。這也是進行濾波裝置設計的最根本依據。

串聯諧振點是一個分界點，在其左邊電容支路為容性支路，與系統的電感產生諧波放大；在其右邊電容支路為感性支路，與系統的電感不會產生諧波放大。

f區域：系統和電容器支路分別承擔著部分諧波，這個區域就是無功補償電容器組的設計和運行區域。合理的設計串聯電抗器和電容器組的搭配，使得電容器組和系統和諧的運行是進行電容器組設計的很重要的一個部分。

3 諧波對于電力電容器的影響

可以說，電力系統存在諧波電壓和諧波電流對于電氣設備影響最大的是電力電容器。其主要影響表現在以下三個方面。

3.1 使電容器過負荷，功率損耗增加。

并聯電容器接入具有諧波源負荷的供電母線的時候，流入電容器回路的電流有效值可用下式表示：

電容器電壓有效值為：

這個時候，電容器的實際容量為：

其中IC為電容器的基波電流；UC為電容器的基波電壓；h2~hn為2~n次諧波電壓畸變率，hn=；Un為n次諧波電壓。QC為基波無功功率。

可見存在諧波的時候，作用在電容器上的電流有效值比電壓有效值增加快，最終使得電容器過壓、過流過負荷。

電容器有功功率損耗近似的為：

對于全膜電容器，全膜介質tgδ≈2×10-4，卷繞式元件的ωCR≈0.6×10-4代入上式有，基波下電容器功率損耗為：

考慮了基波的影響，假設電容器在允許的條件①通過電容器的穩態過電流不應超過電容器額定電流的1.3倍；②電容器的無功容量最大過載倍數為1.35下運行，那么其功率損耗最大能達到：

損耗增加倍率為。

當電容器在允許的臨界條件下運行時，功率損耗增加了1.43倍。如果諧波的含量較高，超過電容器允許的范圍的時候，功率的損耗更會增加，最終的結果將導致電容器異常發熱。

3.2 縮短電容器的使用壽命。

諧波的影響使得電容器的壽命縮短主要表現在：

3.2.1 過流、過負荷使得電容器工作在高溫狀態，加速介質材料老化，縮短電容器壽命。

3.2.2 有機絕緣材料電老化的規律決定了電容器的壽命，即：τ∝Uα

其中τ為絕緣介質的工作壽命；

U為電容器工作電壓；

α取決于介質材料的指數，通常為7-9。

可見，電容器電壓每升高10%，其壽命就會縮短一半。

3.3 諧波與基波的疊加會產生尖頂的畸變電壓波形，這種波形會在介質中誘發局部放電。加上電壓變化率快，局部放電強度也增大，這加速了電容器絕緣介質老化。同時電容器的局部放電性能下降，當局部放電的熄滅場強低于工作場強時，在操作過電壓發生的局部放電將不能熄滅，形成長時期的局部放電，最終導致電容器損壞。高頻的震蕩還會導致電容器發生機械振動，對其各方面都產生不利的影響。

4 總結

電能給人類文明的發展插上了翅膀，可是更大程度的使用電能卻使得電能中含有了諧波。伴隨著諧波含量的增加和諧波危害的加劇，人們不得不想出更好的辦法來和諧波進行斗爭。我很榮幸能成為這支隊伍中最普通的一員，寫這篇文章也是談談自己對于諧波的一點想法和理解，盼望能與更多人進行交流。

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