純電容補償面臨的諧波影響及其解決方法

田 園

(南充電業局檢修公司，四川 南充 637007)

0 引言

在低壓配電系統中的阻感性用電設備得到廣泛的應用，造成電網的功率因率偏低，給用電設備以及電網造成比較大的危害。無功補償成為現在低壓配電系統中不可缺少的部分，常用方式是在電力負荷側并聯電力電容器。這種補償方式可以提高供電系統功率因數，穩定受電端電壓水平，從而提高電網供電質量。但采用純電容器進行無功補償時會有大量諧波產生的情況，電容器的補償支路經常容易故障，造成電容器、投切開關與保護設備損壞。

1 低壓配電系統中諧波的產生

工業中常用的各種相控裝置、直流電機包含的整流設備、為了實現異步電動機的平緩啟動、調速與節能而廣泛使用的變頻器、低壓中頻爐、逆變器、熒光燈甚至計算機電源等大量的非線性設備的使用，使得現在的低壓配電系統中存在著大量的諧波，這對無功補償所用的電容、電感等器件造成了極大影響。

2 純電容器補償面臨的問題

2.1 低壓配電系統中電容器容易出現的問題

并聯于電網運行的電容器是配電系統中最容易損壞的元件，一般選用400 V的額定電壓。而實際運行的低壓母線，電壓一般會超過電容器額定電壓的3%，同時低壓母線上常會產生的過電壓、過電流，常會造成電容器觸點燒結、電容器膜被擊穿、電容器鼓包等情況［1］。

低壓負荷中的非線性設備產生大量諧波，經實測發現諧波電壓含量一般能達到國家的標準，影響不大，但諧波電流的影響卻不容忽略［4］。現場測試到純電容器補償支路與系統側的諧波電流都被放大，放大的諧波電流疊加于電容器的兩端，致使補償支路的電流過大。

所以電網中諧波電流已經成為補償支路不能正常運行和電容器的使用壽命減少的主要原因。

2.2 電容器對諧波電流的影響

電力系統中的元件大多為系統阻抗呈感性的感性元件，并且在不同的頻率下，呈現不同的阻抗性質和數值，影響系統的正常運行。

2.2.1 電容器對諧波電流的放大

電力系統的諧波源主要是可以認為是恒流源的諧波電流源，即輸入阻抗變化時其諧流并無多大的變化［2］。圖1是現在低壓補償系統的簡化圖。

圖1 系統簡化接線圖

圖2 等值電路圖

低壓母線上并聯的補償電容器，其諧波阻抗為XCn。略去電阻影響，系統的等效電路為圖2;諧波源的諧波電流為In，得到注入系統中的諧波電流ISn與電容器支路的諧波電流ICn分別為

由于基波參數不變，故支路電流為ICn和ISn是頻率的函數。令電容器串電抗器支路的諧波阻抗與系統諧波阻抗之比為

α就是諧波次數n的函數，并隨n而變化，系統側諧波ISn與負載產生諧波In之比、電容器支路的諧波ICn與設備產生諧波ISn之比可分別表述為

根據并聯純電容器后的諧波電流放大曲線圖可以看出，只要投入純電容器進行補償就會發生諧波電流的放大。在-0.5＜α＜0時，系統的諧波電流比沒有補償時有所下降;但隨著純電容投入數量增多，α會減小，情況會更加嚴重。在-1＜α＜-0.5時，諧波電流被嚴重放大，電容側的諧波電流被放大2倍以上，電容器很容易發生擊穿。在α=-1的時候發生并聯諧振，系統諧波阻抗XSn與電容阻抗XCn相等;在較小的諧波電流作用下也會在并聯阻抗的兩端產生無限大的諧波電壓，電容器支路的電壓會遠超過其額定電壓，很容易造成電容器的膜被擊穿，發生鼓包、漏油。

圖3 并聯純電容器的諧波電流放大曲線

2.2.2 純電容在諧波環境下的工作情況

表1是在某廠實測到并聯電網的電容器實際的工作情況［4］，該電容器的額定容量為30 kvar，額定電流為43.3 A。電容器側主要含有5次諧波，同時存在少量的3次諧波。

表1 純電容器補償支路的實測情況

3 低壓配電系統中純電容器補償的改進

通過改變用電設備，使用不產生諧波的用電設備;加裝無源濾波器或者有源濾波器，濾除部分諧波;改變電容器支路設備，加裝電抗器抑制諧波，降低電容器支路的諧波電流等等方法來保證用電設備與補償支路的正常工作。

3.1 改變用電設備

非線性的用電設備是主要的諧波產生源，在選擇用電設備的時候，最好選擇容性的或者電阻性的設備，不用進行無功補償。

但現在想要改變用電設備來減少諧波的含量是不可能實現的。用電設備的前期投入的資金很高，要想再改變是不可能的，而且產生諧波的設備往往是輔助設備，是不能缺少的，因此想通過改變用電設備這種方式來解決純電容器補償對諧波電流的放大是不能實現的［5］。

3.2 補償支路加裝無源濾波器

用電設備產生的諧波已經對電網產生比較嚴重的影響，通過加裝電抗器的電容器支路，雖然能夠抑制諧波，但由于諧波的基數過大，造成諧波的抑制效果不明顯。此時為了濾除某次諧波就可以利用無源濾波器來解決濾波要求不是很高的工況［6］。

無源濾波器主要由濾波電容器、濾波電抗器等組成LCR濾波裝置，針對某次諧波來進行濾除。現在應用上來看，一般無源濾波器只能濾除部分諧波，濾波的效果不是很好。無源濾波器作為吸收諧波的設備，主要分為有單調諧濾波器和高通濾波器兩種基本型式。

單調諧濾波器由L、C、R元件串聯組成，高通濾波器主要產用L、C、R元件經串、并聯組成。無源濾波需要針對不同次數的諧波做多個的濾波回路，設備的總回路數量很大，設備的體積比較大，并且對電容器與電抗器運行的準確性與承受諧波過電流的要求很高。現在無源濾波器只是在針對某次諧波電流含量過高，并且要求諧波必須濾除的工廠里少量使用。

3.3 補償回路加裝有源濾波器

有源濾波器是一種用于動態濾除諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償方法的缺點。

有源濾波器是以時域分析為基礎對畸變波實時“跟蹤”補償，檢測補償對象電流中的諧波和無功等電流表分量。檢測結果經指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。這樣可使任意頻率、任意幅值和相位的諧波都能清除，并使無功功率得到完全的補償［7］。

有源濾波器要做到完全的波形補償，就需要很好的信號跟蹤系統，同時要做出快速判斷，還要性能穩定的電源作為補償的元件。現有技術還不能進行大范圍推廣，只在裝設對諧波很敏感的精密儀器的工廠少量使用。

3.4 改變電容器支路

通過改變電容器支路的設備是最好的方法，也是最節約成本的方式，可以在電容器支路側加裝串聯電抗器來實現諧波的抑制。加裝電抗器后必須使電容器支路在高次諧波頻率下呈感性，起到抵制諧波電流的效果，基波頻率下呈容性，進行無功補償。

可以通過加裝電抗器后的情況進行分析，圖4為系統的簡化圖，可以等效出電網的等值電路為圖5。

圖4 系統簡化接線圖

圖5 等值電路圖

在某次諧波電流的情況下，電容器支路的阻抗值為nXL-XC/n。

經分析可以得到系統側諧波電流為

電容器支路的諧波電流為

由于基波參數不變，故支路電流ICn和ISn是頻率的函數。令電容器串電抗器支路的諧波電抗與系統諧波電抗之比為

圖6 諧波電流放大曲線

圖6為加裝電抗器后的諧波電流的放大曲線圖形，可以看出在電容器串聯電抗器后的系統諧波電流、電容器支路諧波電流對諧波源的諧波電流的關系［8］。在-0.5＜α＜0時，電容器側為容性，諧波電流被放大為n次諧波電流的2倍以下，可以實現濾波的作用。此時有較高的諧波電流，設備容易擊穿。

在α=0時，在n次諧波阻抗為零，構成n次諧波電流的通道，可以完全濾除諧波。在0＜α＜1時，電容器支路呈感性，系統諧波電流ISn與電容器側諧波電流ICn都大于0，有效保護電容器。當出現α＞1時，電容器側諧波電流ICn＞系統諧波電流ISn，大部分諧波電流倒送電網，會對電網產生不良影響。少量的諧波電流進入電容器支路，保證進行無功補償。串聯電抗器進行諧波抑制必須要求達到α＞0，才不會發生諧波電流放大。

3.4.1 選擇合適的電抗率

選擇合適的電抗率是諧波抑制的關鍵問題，由于電抗率是電抗器的感抗與電容器的容抗的比值，A=XL-XC。電容器支路的諧波電流為

要求ICn必須大于0才能保證諧波電流不會被放大，電容器支路的諧波電流、系統側諧波電流都小于諧波源的諧波電流。

針對3次諧波時，A＞11.11，一般選用12%的電抗率，同時在5、7次諧波時電容器支路的諧波電流較小，工況特殊的時候(3次諧波電流含量超過50%)建議使用13%，14.8%的電抗率。

針對5、7次諧波時，A＞4，一般選用4.5%的電抗率，同時在7次諧波時電容器支路的諧波電流較小，在抑制5、7次諧波時采用6%及以上的電抗率。實際設計中為保護電容器運行時，都建議采用7%的電抗率，減少流入電容器的諧波電流的比例［9］。

加裝串聯電抗器是最簡單易行的方式，并且投資資金比較少，但這種方式只能讓電容器支路與系統分流諧波電流。實際設計時為保護電容器支路的正常運行，往往通過加大電抗率來提高電容器支路的諧波阻抗，保證電容器支路承受少量的諧波電流，總電流在其額定電流以下，同時讓多數的諧波電流反饋電網。

3.4.2 電容器電壓的選擇

在串有電抗器的電容器支路，電抗器呈感性，電容器呈容性，電容器兩端的電壓為UC=US+UL，同時A=XL/XC，即UC=US/(1-A)。電容器在加裝電抗器后會升壓，電容器的額定電壓要根據電抗率與母線電壓進行選擇。

表2 加裝13%電抗器的補償支路的實測情況

表3 加裝電抗器的系統側補償前后的實測情況

在針對3次諧波，采用12%的電抗率時，并聯與電壓為400 V的母線上時，電容器兩端的電壓為454.6 V，則必須選擇電容器的額定電壓為480 V或500 V。針對5、7次諧波，采用7%的電抗率時，并聯于電壓為400 V的母線上時，電容器兩端的電壓為430.1 V，則最低選擇電容器的額定電壓為450 V。

3.4.3 電容器的容量的選擇

現在選擇補償總容量主要根據設備的有功功率與功率因數來計算單個設備所需要的無功容量，再使用利用率相乘，得到無功補償的總容量，這樣的計算結果有比較高的精度。

選擇電容器分組時，現在主要采用等容量的方式，一般采用8～10組比較好，每次投入的時候可以投入較小的容量，產生較小的涌流，電容器分組可以根據現在情況合理地選擇。

3.4.4 電容器支路開關的選擇

電容器補償柜的一次回路的控制開關主要有切換電容接觸器、智能復合開關、可控硅開關等。可控硅開關是未來發展的一個方向，其投入時沒有涌流，切除時涌流較小，動作速度快的特點已經得到重視［11］。

開關設備的額定電流可以根據電容器的額定參數進行選擇，在電網含有諧波的時候可以按電容器額定參數的1.5～2.0來選擇設備。

3.5 采用加裝電抗器的改造實例

表2是對改造后電容器補償支路的測試情況［4］，表3是在系統的低壓母線處測試情況，兩次測試分別是沒有無功補償與電容器串聯電抗率為13%的電抗器后的情況。

經過項目改造前后實測的補償支路的電能質量的分析，可以看出加裝電抗器后補償支路的電流諧波的畸變率由60%下降到4%，5次諧波電流有明顯的下降，同時總電流下降到允許的范圍，諧波電流抑制效果非常明顯。

根據系統的低壓母線處測試補償前后的情況，系統的諧波電流以5次諧波為主，含有部分的3次諧波。此時無功功率得到補償，變壓器的利用率得到提高。無功補償后總電流下降近40%，諧波總電流的下降近15%。

4 結語

無功功率補償、諧波冶理是當前乃至今后相當長的時期內的低壓配電系統面臨的重要問題。如今純電容器的補償柜在諧波含有量很少的工業和民用得到廣泛的應用。面對大量產生諧波的用電設備，低壓配電系統已經對電容器補償支路提出了更高的要求，抑制諧波、濾除諧波的時代已經來臨。補償支路加裝電抗器進行諧波抵制是當前最經濟而實用的方法，選擇合適的電抗率還是有很大的困難，必須經過現場的測試與設備的分析來選擇。現在串聯電抗器進行諧波抑制還是首選方案，基于電力電子技術的有源濾波器應用將會對未來建設干凈電網發揮重要的作用。

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