諧波抑制與電容器低壓無功補償技術(shù)研究

摘 要:隨著大量非線性負(fù)荷的增多，電網(wǎng)中產(chǎn)生的諧波使無功補償設(shè)備的可靠性和安全性降低。正確選擇無源濾波方案以及電容器、電抗器的型號是保證補償設(shè)備可靠性的關(guān)鍵。本文重點論述了電網(wǎng)在諧波環(huán)境下進行無功功率補償應(yīng)采取的措施。

關(guān)鍵詞:低壓無功補償諧波無源濾波電容器

中圖分類號:TM47文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(b)-0014-02

目前，無功補償作為一種提高輸電效率、提高輸電安全性、提高供電設(shè)備利用率和改善供電質(zhì)量的技術(shù)，在供電的各個系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。但近幾年因各種新型用電設(shè)備的大量使用，使低壓電網(wǎng)發(fā)生較大變化，使得無功補償設(shè)備的安全性和可靠性降低。

1 低壓無功補償?shù)默F(xiàn)狀

據(jù)大慶某電氣管理處調(diào)查資料顯示，大慶某地區(qū)的無功補償裝置有90%在保質(zhì)期內(nèi)出現(xiàn)過質(zhì)量問題，有50%出現(xiàn)過停運。該地區(qū)的低壓無功補償被業(yè)內(nèi)專家評價為 “處于癱瘓狀態(tài)”。出現(xiàn)以上的狀況主要是因為近幾年低壓電網(wǎng)受到諧波污染的現(xiàn)象越來越普遍和嚴(yán)重，如表1所示為低壓電網(wǎng)變化。

針對這種變化，設(shè)備制造廠商及大多數(shù)用戶沒有采取措施，在設(shè)計和元器件選型等方面仍采用過去的技術(shù)方案，使得低壓無功補償設(shè)備的可靠性和安全性降低。

補償設(shè)備的故障主要表現(xiàn)在電容器因過載失效，嚴(yán)重的甚至發(fā)生燃燒、爆炸等惡性事故。我國低壓并聯(lián)電容器近幾年在技術(shù)和質(zhì)量上沒有顯著提升，以至于在招標(biāo)時，設(shè)計部門或甲方單位為了保證供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，指定使用進口品牌電容器。

另外，用電單位不愿意投資對補償設(shè)備進行諧波治理改造，或采用帶濾波功能的補償設(shè)備。因為帶濾波功能的補償設(shè)備比普通設(shè)備成本和價格高很多，用戶寧可不斷更換電容器也不愿進行諧波治理。

無源濾波已是最經(jīng)濟的諧波治理方案，想解決諧波問題需進行必要投資，否則電網(wǎng)中的諧波只能越來越多，會對其他電氣設(shè)備的可靠運行及安全造成較大影響，無功補償面臨的形勢越加嚴(yán)峻。

2 諧波的危害與治理

2.1 諧波的危害

非線性負(fù)載是諧波產(chǎn)生的根本原因。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加電壓不呈線性關(guān)系就會形成非正弦電流，產(chǎn)生諧波。諧波對電力系統(tǒng)造成的不良影響歸納起來有以下幾方面:

①使電網(wǎng)電壓和電流波形發(fā)生畸變，致使電能品質(zhì)變壞;

②使電器設(shè)備鐵損增加，造成電器設(shè)備過熱，降低正常出力;

③使電介質(zhì)加速老化，絕緣壽命縮短;

④影響控制、保護和檢測裝置的工作精度和可靠性;

⑤使具有容性的電氣設(shè)備和電氣材料發(fā)生過熱而損壞;

⑥對弱電系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾，甚至可能在某一高次諧波的作用下，引起網(wǎng)路諧振，造成設(shè)備損壞。

其中諧波導(dǎo)致電容器失效，使無功補償設(shè)備癱瘓是最為常見的。因此在存在諧波的情況下，必須掌握諧波發(fā)生的規(guī)律，設(shè)計無功補償裝置時必須有針對性地采取抑制措施。

2.2 諧波的治理

電力諧波的治理的手段主要有:增加整流設(shè)備極數(shù)、串聯(lián)電抗器、有源濾波(采用電力電子設(shè)備實時補償)和無源濾波(包括低通廣譜濾波、串聯(lián)調(diào)諧濾波和并聯(lián)調(diào)諧濾波等)。目前一般采用無源型交流濾波裝置，即由電力電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合成濾波裝置，運行中它和諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外還兼顧無功補償?shù)男枰Ｓ捎谒Y(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便，因此比國內(nèi)外正在研制新型的有源型交流濾波裝置應(yīng)用廣泛。

3 無源濾波原理及其補償裝置的設(shè)計

3.1 無源濾波的原理

使用電抗器與電容器串聯(lián)，組成一個LC串聯(lián)諧振電路，把該電路并聯(lián)在電網(wǎng)中，即構(gòu)成一個最基本的無源濾波回路。

濾波回路的阻抗

(1)

當(dāng)時，回路的阻抗最小，即串聯(lián)諧振。調(diào)整L和C的參數(shù)，使諧振頻率f等于要濾除的諧波的頻率，就可使該次諧波電流大部分流過濾波回路，而不會影響電網(wǎng)中其它設(shè)備。對于頻率最低的基波(50或60Hz)，由于，所以仍可發(fā)出容性無功電流，起到無功功率補償作用。

3.2 無源濾波器的種類及用途

如圖1(a)為單調(diào)諧濾波器，簡單、應(yīng)用廣泛。用于濾除單一頻率諧波。圖1(b)為雙調(diào)諧濾波器，用于濾除兩種頻率的諧波。圖1(c)為2階阻尼濾波器(高通濾波器)，用于濾除某個頻率以上的所有高次諧波。圖1(d)為C型濾波器，阻抗特性與高通濾波器相似，但基波損耗小，用于低次諧波多的場合，如諧波源為中頻加熱爐的用電系統(tǒng)。

3.3 設(shè)計無源濾波補償裝置的步驟

低壓電網(wǎng)的諧波治理是一項復(fù)雜的工程，現(xiàn)今還沒有一套完善的技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。下面僅就在諧波環(huán)境下以無功補償為目的的裝置設(shè)計方法作簡單介紹。

①確定補償所需的總無功功率(Q)、補償回路數(shù)(n)、每一回路的無功容量(Q0):

(2)

②測量要補償?shù)南到y(tǒng)的諧波電流頻譜——各次諧波電流的含量，確定要濾除的目標(biāo)諧波。如一般變頻器使用6脈波整流器，則諧波次數(shù)主要為5、7次。

③確定濾波回路主要元件參數(shù):

電容器的電容量:

(3)

電抗器的電感量:

(4)

電抗器的電抗率:

(5)

電容器的工作電壓:

(6)

電容器的額定電壓(Un)選擇:Un不低于U，也不能過高。

電容器的標(biāo)稱容量:

(7)

電抗器的額定電流:

(8)

串聯(lián)調(diào)諧電路電阻器阻值:

(30<<100)(9)

阻尼型電路電阻器阻值:

(0.5<<5) (10)

4 諧波環(huán)境中電容器的特性

諧波對電容器的影響主要表現(xiàn)為:電容器長期承受過電流，導(dǎo)致電容器發(fā)熱嚴(yán)重而失效;電容器與供電系統(tǒng)的電感構(gòu)成諧振回路，對于頻率較高的諧波容易形成諧振，使諧波被放大。

諧波環(huán)境對電容器的要求有:具有較大過電流能力、容量偏差小(±5%)、容量穩(wěn)定性好、散熱性能良好、防爆性能好、使用優(yōu)質(zhì)聚丙烯薄膜及電極鍍層、制造過程質(zhì)量穩(wěn)定受控。

在諧波環(huán)境進行無功補償，對技術(shù)應(yīng)用、售前服務(wù)提出更高要求，特別是重大工程，在招標(biāo)時就應(yīng)對電容器提出詳細要求，在制造前需進行設(shè)計評審。如對電容器提出了抗過電流能力、諧波條件、預(yù)期壽命指標(biāo)和質(zhì)保期要求等。

5 結(jié)語

電網(wǎng)中諧波污染日益嚴(yán)重，現(xiàn)已成為導(dǎo)致無功補償設(shè)備故障主要因素，無源濾波技術(shù)是適應(yīng)電網(wǎng)變化最常用、最經(jīng)濟的解決方案。推廣無源濾波可從根本上提高低壓電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，還可提高電容器行業(yè)設(shè)計、制造水平，滿足這些要求將使無功補償?shù)恼w技術(shù)水平得到實質(zhì)性提升。

參考文獻

[1]李曉剛．無功電容補償及諧波抑制技術(shù)研究[D]．山東科技大學(xué)，工程碩士學(xué)位論文，2005．

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