并聯電容器串抗選取研究

郭成

(云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

特約稿件

并聯電容器串抗選取研究

郭成

(云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

通過實例對并聯電容器的諧振的計算方法、串聯電抗器選取與電容器諧振等問題進行了分析，并指出電容器的串抗率選取還應對所有可能出現的運行工部進行全面的諧振點分析計算。

電容器；并聯諧振；串聯諧振；串聯電抗

0 前言

高壓并聯電容器是電力系統中重要的無功補償設備，電容器具有提高系統功率因數、改善電壓質量、降低網損的優點，但同時也存在諧波諧振的運行風險[1]，這是由于電力系統的諧波阻抗是感性的，而電容器的諧波阻抗是容性的，兩者之間必定存在諧振點。諧振點并不能被消除，避免電容器諧振的技術措施只能是讓諧振點遠離整數次諧波，最行之有效的方法是串聯電抗器[2-5]。

在規范中明確了串聯電抗器的選取原則。但電容器的諧波諧振事故依然時有發生[6-8]。文中首先闡述了電抗器的選取原則，然后分析了依據《并聯電容器裝置設計規范》依然有可能產生諧波諧振的原因，最后基于C#開發環境在云南電網電能質量在線監測平臺上開發了諧振點掃描計算程序，用于指導工程實踐。

1 諧振點計算方法

1.1 并聯諧振點

并聯諧振發生在電容器RLC支路與等值系統之間，與系統的短路容量具有關聯。并聯電容器的并聯諧振點可按下式估算：

式中Qx——發生n次諧波諧振的電容器容量(Mvar)；

Sd——并聯電容器裝置安裝處的母線短路容量(MVA)；

n——諧波次數；

K——電抗率。

如果式 (1)成立，則并聯諧振條件滿足。此時的n即為并聯諧振點。

1.2 串聯諧振點

串聯諧振發生在容性電抗和感性電抗相等的串聯RLC電路內，與外部系統聯系并不緊密。并聯電容器的串聯諧振點可按下式估算：

式中XC——電容器組的容抗值；

XL——電容器組串聯電抗的電抗值；

2 串聯電抗器選取與電容器諧振

規范規定了電容器串聯電抗器的選擇原則[9]：僅用于限制涌流時，電抗率宜取0.1%～1%；用于抑制諧波，電抗率應根據并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波含量的測量值選擇。當諧波為5次及以上時，宜取4.5%～5.0%；當諧波為3次以及上時，宜取12%；宜可采用4.5%～5.0%與12%兩種電抗率混裝方式。

然而在工程實踐中，套用 《并聯電容器裝置設計規范》依然很有可能發生電容器諧振問題，下面就以兩個工程算例加以說明。

2.1 對5次背景諧波設置串抗分析

依據技術規范，當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為 5次及以上時，宜取 4.5%～5.0%。由于串聯諧振點是由串抗率決定且并聯諧振次數總是小于串聯諧振點，因此，當采用4.5%～6%的串抗時，通過計算可知串聯諧振點大致是落在4.47～4.71之間。從而并聯諧振點一定是小于4.47，也就不可能落在5次諧波處。從這個方面來講，此條規定是非常合理的。

但此條規定卻有可能導致3次諧波和4次諧波諧振。例如下面的工程算例：在某35 kV變電站的10 kV側安裝兩組串抗率為5%的10 MVar電容器組，母線處的短路容量為150 MVA，此時的電容器諧振點計算結果如表1所示，工況1和工況2的并聯諧波點為2.98次，非常接近3次諧波頻率。

表1 算例1的諧振點計算結果

可見，這種串抗配置方案在此運行方式下極有可能發生3次并聯諧振，從而存在電容器損壞的風險。當然，在某種條件下也存在4次并聯諧振的風險。

2.2 對3次背景諧波設置串抗分析

依據技術規范，當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為3次以及上時，宜取12%；宜可采用4.5%～5%與12%兩種電抗率。

同樣的，由于串聯諧振點是由串抗率決定且并聯諧振次數總是小于串聯諧振點，當采用12%的串抗時，串聯諧振點大致是落在2.88處。從而使得諧振點不可能落在3次諧波以上。從這個方面來講，此條規定對于避免3次諧波諧振是非常合理的。

但是，當采用4.5%～5%與12%兩種電抗率時，會存在兩個串聯諧振點，其中一個串聯諧振點會在3次諧波以上。比如，當同時投入5%與12%兩種電抗時，串聯諧振點在2.88和4.47處，這樣，必定有一個并聯諧振點是落在 2.88與4.47之間，從而導致4次并聯諧波諧振。從已有的文獻資料來看，由于采用4.5%～5%與12%兩種電抗率的配置方式，導致諧波諧振損壞電容器組的情況時有發生。

例如下面的工程算例：在某220 kV變電站的35 kV側安裝兩組串抗率為5%和12%的10 MVar電容器組，母線處的短路容量為720 MVA，此時的電容器諧振點計算結果如表2所示。在工況1和工況3下的并聯諧振點計算結果分別是3.98次和4.06次，非常接近4次諧波頻率。

表2 算例2的諧振點計算結果

可見，這種串抗配置方案在此運行方式下是存在一定的運行風險的，極有可能發生4次并聯諧振。

3 串聯電抗選取的工程實踐

通過上述分析可知，在工程實踐中簡單機械地套用 《并聯電容器裝置設計規范》依然會發生電容器諧振問題，主要是因為 《并聯電容器裝置設計規范》的初衷是在3次諧波含量較大時避免發生3次諧波諧振，在5次諧波含量較大時發生5次諧波諧振，但這并不能完全避免4次諧波諧振以和3次諧波諧振情況的發生。因此在工程實踐中非常有必要進行各種電容器投切方式下的諧振點掃描。對于有可能產生的諧波諧振問題要具體問題具體分析，合理調整串聯電抗的阻抗。

由此，項目在C#開發環境下開發了基于云南電網電能質量在線監測系統的串聯電抗器功能模塊，為串抗率選擇的工程實踐提供了一個計算和分析平臺。開展諧振點計算，需要輸入的參數有：短路容量、電容器容量、串抗率以及電容器組數等參數。模塊的操作界面如圖1所示，可在相應對話框中輸入所需參數，另外，軟件還提供了多組電容器投入或退出工況下的諧振點計算，點擊“點擊添加新參數組”即可。當點擊 “計算諧振點”即可實現所有運行組的諧振點計算，目前該模塊已經上線運行，對于電容器組的規劃設計以及事故分析等均具有重要工程參考價值。

4 結束語

諧振是并聯電容器運行的固有特性，特別是在諧波水平較高的配電網，必須裝設串聯電抗器以避免諧波諧振的發生。然而依據現行的串聯電抗器設計原則，并不能完全避免諧波諧振問題。本文通過計算實例分析了產生這一問題的原因，并指出電容器的串抗率選取必須要對所有可能出現的運行工部進行全面的諧振點分析計算。本文最后探討了諧振點計算的工程實踐問題，基于C#開發了諧振點掃描計算程序，并將其集成在云南電網電能質量在線監測系統中。

[1] Ramasamy Natarajan著，徐政，譯.電力電容器 [M].機械工業出版社，2010.

[2] 郭成，魏承志.并聯電容器諧振的動態特性研究 [J].云南電力技術，2014，42(1)：9-13.

[3] 楊汾艷，徐柏榆，梅桂華，等.交直流混合電網中變電站電容器組串聯電抗率選擇 [J].電力自動化設備，2009，29(6)：29-34.

[4] 劉書銘，李瓊林，等.無功補償電容器組串聯電抗器的參數匹配 [J].電力自動化設備，2012，32(4)：145-150.

[5] 陳鵬云，劉晉，等.500 kV站35 kV無功補償電容器裝置設計問題分析 [J].華中電力，2010，23(4)：14-17.

[6] 李小偉.電容器組串聯電器燒毀的原因分析與建議 [J].廣西電力，2009(1)：62-64.

[7] 周勝軍，林海雪.并聯電容器裝置中的串聯電抗選擇 [J] .供用電，2001，18(1)：15-18.

[8] 陶梅，江鈞祥.串聯電抗器及其電抗率的選取 [J].電力電容器與無功補償，2010，33(3)：58-61.

[9] GB 50227-2008.并聯電容器裝置設計規范 [S].2008.

Research and Engineering Practice of Series Reactor Selection in Shunt Capacitor

GUO Cheng
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Harmonics resonate the inherent characteristics of shunt capacitor.Series reactor is the most effective method for adjusting the resonant point unable to be eliminated，which could adjust the resonant point away from the integer harmonics.However，resonance cannot be completely avoided simply by applying series reactor design principle，which was analyzed through the engineering examples.Finally，all the conditions of resonant point were analyzed for series reactor selection of capacitor in this paper，and the practical engineering problems of resonant point calculation were further discussed.

capacitor；parallel Resonant；series resonant；series reactor

TM74

B

1006-7345(2014)05-0001-03

2014-07-11

郭成 (1978)，男，博士，高級工程師，云南電網公司電力研究院，主要從事電能質量分析與控制、電力系統分析研究工作 (e-mail)gc325＠126.com。