電容器與電抗器匹配問題探討

劉汶興++劉君蓮

摘 要：隨著工業生產規模的不斷增加，對供電公司電力需求提出了更高的要求。然而，面對電容器組與電力系統發生的諧振，分析電容器與電抗器的匹配問題顯得尤為重要。串聯電抗器是無功補償電容器的重要組成部分，若串聯電抗器的電抗率選擇不當，容易因諧波電流放大而嚴重影響電力設備的安全性和系統的穩定性。因此，本文對電容器與電抗器的匹配問題進行分析，以供參考。

關鍵詞：串聯電抗器；電容器；無功補償；諧波電流；匹配問題

中圖分類號：TM47，TM53 文獻標識碼：A

引言

在實際運行中，若串聯電抗器的串抗率選擇不當，容易因諧波問題發生保險熔斷、爆炸等事故，這就要求在分析電容器組與電抗器的參數匹配問題時必須結合電容器現場實際情況，科學合理地選擇串聯電抗器的電抗率和電容器組等效串抗率，以保證電容器設備運行的安全性。

1 電容器對諧波電流放大的機理分析

電容器對諧波電流放大的理論分析如圖1所示。其中，Xs代表電力系統等值基波短路電抗，h代表諧波次數，Ih代表第h次諧波電流，XL代表串聯電抗器產生的基波電抗，而Xc代表電容器組產生的基波容抗。通過定義K=XL/Xc公式，K代表電容器組串聯電抗器的電抗率，通過分析圖1的電路圖，可以發現當電容器支路中諧波容抗和感抗相等時，電路中串聯電抗器第h次諧波將發生串聯諧振，發生的諧振次數為：

（1）

在串聯諧振下，電容器支路形成濾波回路，此時流經電力系統產生的諧波電流為0。然而，當電容器組支路產生的諧波阻抗與電力系統產生的諧波感抗相等時，電容器支路第h次諧波發生并聯諧振，發生的諧振次數為：

（2）

從理論上分析，此時電容器中產生的諧波電流趨于無窮大，在實際運行中，電容器支路產生的諧波電流遠遠大于電力設備所能承受的有限制。另外，由于并聯電容器的容量主要由無功優化確定，并且Xs主要是通過外部電力系統的設置確定的，Xs可以作為不可變量，所以只有串聯電抗器的電抗率K可調。由此可知，串聯電抗器的電抗率是電容器組的重要參數，電抗率的合理選擇直接關系到諧波電流的放大倍數。

2 串聯電抗器的串抗率及電容器等效串抗率分析

本文以某220kV變電站實例分析電容器與電抗器的參數匹配問題，在該220kV變電站中，有主變電站2臺，分別有220kV、35kV、10kV等三個不同的電壓等級，容量為3×150MV·A，在1號主變電站中配置了電抗率為6%的串聯電抗器，容量為433kvar。然而，在實際運行中，電容器外熔絲群爆事故頻繁發生，為了找出事故原因，操作人員對1號變電站進行了電容器投切試驗，采用PS-8電能質量分析儀對電容器組支路的諧波電流進行監測并記錄電容器運行過程中的暫態波形。當在無電容器投運的情況下，電壓等級為10kV的母線電壓所產生的諧波電壓含有率為2.305%，其中5次、11次諧波電壓含量較大，主要與變電站所產生的負荷有關。在該實驗中，操作人員共進行了12余次電容器投切操作，包括有電容器和無電容器的情況下投運電容器，通過投運不同組數電容器的測試，在電容器組中串聯電抗器的電抗率為6%時，不同電容器組投運的電流數據見表1。從表中可以看出，在串抗率為6%的情況下，在3組電容器投運時3次諧波電流放大較為嚴重，其電壓含有率達到17.11%。然而，隨著投運組數的不斷增多，容抗值隨著投運組數的增多而越來越小，造成5次諧波的濾波效果下降。

分析電容器組等效串抗率，其是電容器與電抗器匹配設置的重要參數，其等效串抗率的公式為：

（3）

從公式中可以看出，電容器等效串抗率隨著電容器投運組數的增加而逐漸增加，分析串抗率為6%時和串抗率為4.5%時不同電容器組投運的等效串抗率，見表2，可知當串抗率為6%時，在第4組電容器全部運行或所產生的等效串抗率與3次諧波產生的等效串抗率相近，電容器組支路與電力系統的阻抗發生并聯諧振的趨勢。通過對該變電站現場測試，可知電容器串抗設計的不合理造成的電流諧波放大是引起并聯電容器熔絲群爆事故的常見原因，引起熔絲群爆的原有有很多，其外部原因有整個電容器過流而引起熔絲熔斷，內部原因有并聯電容器均會對擊穿的電容單元進行放電，從而引發群爆事故。

3 并聯電容器與串聯電抗器參數匹配選擇

面對因過電流作用而造成電容器外熔絲群爆等事故，在無功補償電容器組串聯電抗器的參數匹配中，應慎重選擇，既要考慮電容器組串聯電抗器的電抗率，也要充分考慮電容器組的等效串抗率，避免因參數選擇不當而造成電容器組諧振現象的發生。因此，在電容器設計中，首先，做好電容器容抗的選擇，在高次諧波情況下，往往會因為電容器容抗的變化而造成諧振過壓力、過流的情況發生，給電容器造成了嚴重的威脅。因此，為了有效避免此類情況的發生，可以結合實際情況選擇相應的串聯電抗器，適當放大電抗器的容量，確保電容器串聯回路整體呈現感性，從上述可知，5次、11次諧波含量較大，因此，在選擇串聯電抗器的電抗量中，可以以5次諧波為主，以為依據，可以求得與給定電容匹配的串聯電抗量。通過串聯電抗量的計算方法，可以得出，由此可知，串聯電抗器選擇電抗率為6%時可以滿足設計要求，可以有效避免與外接系統電抗發生并聯諧振的可能。其次，當實現電容器組與電抗器串聯回路后，補償電容器退出運行后，可以在很短時間內完成放電，雖然電容器的端電壓基本降為0，但電容器在合閘瞬間的端電壓不會發生變化，及短路，通過加入串聯電抗器，電路電流可以得到很好地控制。最后，將電抗器串接于電容器上側，由于電抗器對低電壓的絕緣水平要求較高，一般電容器選擇的額定電源應略高于系統標稱電壓，在這種情況下，即使電容器上側對低電壓的絕緣造成破壞形成地短路故障。因此，選擇半絕緣式的電抗器，其絕緣水平要求較低，可以起到抑制故障電流的作用。

結語

面對系統產生的諧波電流，為了確保的電力系統安全、穩定的運行，在設計電容器中，應考慮多方面的綜合因素，包括串聯電抗器的電抗率，電容器的等效串抗率及電容阻抗等因素，利用電容器回路串聯電抗器的方法，實現電容、電抗的參數匹配，避免電容器在主要諧波成分下諧振的發生，使電力電容器的作用在實際運行中發揮到最佳。

參考文獻

[1]朱海貌，夏曉波，黃銳.串聯電抗器抑制諧波的分析[J].電力電容器與無功補償，2012（01）：29-32.

[2]劉書銘，李瓊林，杜習周，余曉鵬，張曉東.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（04）：145-150.

[3]俞妍，龐海龍，趙玲，付少波，李紀紅.電容器裝置中串聯電抗器的作用及其選擇[J].現代電子技術，2012（24）：182-184.

[4]李維亞.線路變壓電抗器作為500kV及特高壓線路并聯電抗器的解決方案[J].南方電網技術，2010（01）：67-70.

[5]范彩杰.并聯電容器串聯電抗率參數選擇研究[D].華北電力大學，2013.

摘 要：隨著工業生產規模的不斷增加，對供電公司電力需求提出了更高的要求。然而，面對電容器組與電力系統發生的諧振，分析電容器與電抗器的匹配問題顯得尤為重要。串聯電抗器是無功補償電容器的重要組成部分，若串聯電抗器的電抗率選擇不當，容易因諧波電流放大而嚴重影響電力設備的安全性和系統的穩定性。因此，本文對電容器與電抗器的匹配問題進行分析，以供參考。

關鍵詞：串聯電抗器；電容器；無功補償；諧波電流；匹配問題

中圖分類號：TM47，TM53 文獻標識碼：A

引言

在實際運行中，若串聯電抗器的串抗率選擇不當，容易因諧波問題發生保險熔斷、爆炸等事故，這就要求在分析電容器組與電抗器的參數匹配問題時必須結合電容器現場實際情況，科學合理地選擇串聯電抗器的電抗率和電容器組等效串抗率，以保證電容器設備運行的安全性。

1 電容器對諧波電流放大的機理分析

電容器對諧波電流放大的理論分析如圖1所示。其中，Xs代表電力系統等值基波短路電抗，h代表諧波次數，Ih代表第h次諧波電流，XL代表串聯電抗器產生的基波電抗，而Xc代表電容器組產生的基波容抗。通過定義K=XL/Xc公式，K代表電容器組串聯電抗器的電抗率，通過分析圖1的電路圖，可以發現當電容器支路中諧波容抗和感抗相等時，電路中串聯電抗器第h次諧波將發生串聯諧振，發生的諧振次數為：

（1）

在串聯諧振下，電容器支路形成濾波回路，此時流經電力系統產生的諧波電流為0。然而，當電容器組支路產生的諧波阻抗與電力系統產生的諧波感抗相等時，電容器支路第h次諧波發生并聯諧振，發生的諧振次數為：

（2）

從理論上分析，此時電容器中產生的諧波電流趨于無窮大，在實際運行中，電容器支路產生的諧波電流遠遠大于電力設備所能承受的有限制。另外，由于并聯電容器的容量主要由無功優化確定，并且Xs主要是通過外部電力系統的設置確定的，Xs可以作為不可變量，所以只有串聯電抗器的電抗率K可調。由此可知，串聯電抗器的電抗率是電容器組的重要參數，電抗率的合理選擇直接關系到諧波電流的放大倍數。

2 串聯電抗器的串抗率及電容器等效串抗率分析

本文以某220kV變電站實例分析電容器與電抗器的參數匹配問題，在該220kV變電站中，有主變電站2臺，分別有220kV、35kV、10kV等三個不同的電壓等級，容量為3×150MV·A，在1號主變電站中配置了電抗率為6%的串聯電抗器，容量為433kvar。然而，在實際運行中，電容器外熔絲群爆事故頻繁發生，為了找出事故原因，操作人員對1號變電站進行了電容器投切試驗，采用PS-8電能質量分析儀對電容器組支路的諧波電流進行監測并記錄電容器運行過程中的暫態波形。當在無電容器投運的情況下，電壓等級為10kV的母線電壓所產生的諧波電壓含有率為2.305%，其中5次、11次諧波電壓含量較大，主要與變電站所產生的負荷有關。在該實驗中，操作人員共進行了12余次電容器投切操作，包括有電容器和無電容器的情況下投運電容器，通過投運不同組數電容器的測試，在電容器組中串聯電抗器的電抗率為6%時，不同電容器組投運的電流數據見表1。從表中可以看出，在串抗率為6%的情況下，在3組電容器投運時3次諧波電流放大較為嚴重，其電壓含有率達到17.11%。然而，隨著投運組數的不斷增多，容抗值隨著投運組數的增多而越來越小，造成5次諧波的濾波效果下降。

分析電容器組等效串抗率，其是電容器與電抗器匹配設置的重要參數，其等效串抗率的公式為：

（3）

從公式中可以看出，電容器等效串抗率隨著電容器投運組數的增加而逐漸增加，分析串抗率為6%時和串抗率為4.5%時不同電容器組投運的等效串抗率，見表2，可知當串抗率為6%時，在第4組電容器全部運行或所產生的等效串抗率與3次諧波產生的等效串抗率相近，電容器組支路與電力系統的阻抗發生并聯諧振的趨勢。通過對該變電站現場測試，可知電容器串抗設計的不合理造成的電流諧波放大是引起并聯電容器熔絲群爆事故的常見原因，引起熔絲群爆的原有有很多，其外部原因有整個電容器過流而引起熔絲熔斷，內部原因有并聯電容器均會對擊穿的電容單元進行放電，從而引發群爆事故。

3 并聯電容器與串聯電抗器參數匹配選擇

面對因過電流作用而造成電容器外熔絲群爆等事故，在無功補償電容器組串聯電抗器的參數匹配中，應慎重選擇，既要考慮電容器組串聯電抗器的電抗率，也要充分考慮電容器組的等效串抗率，避免因參數選擇不當而造成電容器組諧振現象的發生。因此，在電容器設計中，首先，做好電容器容抗的選擇，在高次諧波情況下，往往會因為電容器容抗的變化而造成諧振過壓力、過流的情況發生，給電容器造成了嚴重的威脅。因此，為了有效避免此類情況的發生，可以結合實際情況選擇相應的串聯電抗器，適當放大電抗器的容量，確保電容器串聯回路整體呈現感性，從上述可知，5次、11次諧波含量較大，因此，在選擇串聯電抗器的電抗量中，可以以5次諧波為主，以為依據，可以求得與給定電容匹配的串聯電抗量。通過串聯電抗量的計算方法，可以得出，由此可知，串聯電抗器選擇電抗率為6%時可以滿足設計要求，可以有效避免與外接系統電抗發生并聯諧振的可能。其次，當實現電容器組與電抗器串聯回路后，補償電容器退出運行后，可以在很短時間內完成放電，雖然電容器的端電壓基本降為0，但電容器在合閘瞬間的端電壓不會發生變化，及短路，通過加入串聯電抗器，電路電流可以得到很好地控制。最后，將電抗器串接于電容器上側，由于電抗器對低電壓的絕緣水平要求較高，一般電容器選擇的額定電源應略高于系統標稱電壓，在這種情況下，即使電容器上側對低電壓的絕緣造成破壞形成地短路故障。因此，選擇半絕緣式的電抗器，其絕緣水平要求較低，可以起到抑制故障電流的作用。

結語

面對系統產生的諧波電流，為了確保的電力系統安全、穩定的運行，在設計電容器中，應考慮多方面的綜合因素，包括串聯電抗器的電抗率，電容器的等效串抗率及電容阻抗等因素，利用電容器回路串聯電抗器的方法，實現電容、電抗的參數匹配，避免電容器在主要諧波成分下諧振的發生，使電力電容器的作用在實際運行中發揮到最佳。

參考文獻

[1]朱海貌，夏曉波，黃銳.串聯電抗器抑制諧波的分析[J].電力電容器與無功補償，2012（01）：29-32.

[2]劉書銘，李瓊林，杜習周，余曉鵬，張曉東.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（04）：145-150.

[3]俞妍，龐海龍，趙玲，付少波，李紀紅.電容器裝置中串聯電抗器的作用及其選擇[J].現代電子技術，2012（24）：182-184.

[4]李維亞.線路變壓電抗器作為500kV及特高壓線路并聯電抗器的解決方案[J].南方電網技術，2010（01）：67-70.

[5]范彩杰.并聯電容器串聯電抗率參數選擇研究[D].華北電力大學，2013.

摘 要：隨著工業生產規模的不斷增加，對供電公司電力需求提出了更高的要求。然而，面對電容器組與電力系統發生的諧振，分析電容器與電抗器的匹配問題顯得尤為重要。串聯電抗器是無功補償電容器的重要組成部分，若串聯電抗器的電抗率選擇不當，容易因諧波電流放大而嚴重影響電力設備的安全性和系統的穩定性。因此，本文對電容器與電抗器的匹配問題進行分析，以供參考。

關鍵詞：串聯電抗器；電容器；無功補償；諧波電流；匹配問題

中圖分類號：TM47，TM53 文獻標識碼：A

引言

在實際運行中，若串聯電抗器的串抗率選擇不當，容易因諧波問題發生保險熔斷、爆炸等事故，這就要求在分析電容器組與電抗器的參數匹配問題時必須結合電容器現場實際情況，科學合理地選擇串聯電抗器的電抗率和電容器組等效串抗率，以保證電容器設備運行的安全性。

1 電容器對諧波電流放大的機理分析

電容器對諧波電流放大的理論分析如圖1所示。其中，Xs代表電力系統等值基波短路電抗，h代表諧波次數，Ih代表第h次諧波電流，XL代表串聯電抗器產生的基波電抗，而Xc代表電容器組產生的基波容抗。通過定義K=XL/Xc公式，K代表電容器組串聯電抗器的電抗率，通過分析圖1的電路圖，可以發現當電容器支路中諧波容抗和感抗相等時，電路中串聯電抗器第h次諧波將發生串聯諧振，發生的諧振次數為：

（1）

在串聯諧振下，電容器支路形成濾波回路，此時流經電力系統產生的諧波電流為0。然而，當電容器組支路產生的諧波阻抗與電力系統產生的諧波感抗相等時，電容器支路第h次諧波發生并聯諧振，發生的諧振次數為：

（2）

從理論上分析，此時電容器中產生的諧波電流趨于無窮大，在實際運行中，電容器支路產生的諧波電流遠遠大于電力設備所能承受的有限制。另外，由于并聯電容器的容量主要由無功優化確定，并且Xs主要是通過外部電力系統的設置確定的，Xs可以作為不可變量，所以只有串聯電抗器的電抗率K可調。由此可知，串聯電抗器的電抗率是電容器組的重要參數，電抗率的合理選擇直接關系到諧波電流的放大倍數。

2 串聯電抗器的串抗率及電容器等效串抗率分析

本文以某220kV變電站實例分析電容器與電抗器的參數匹配問題，在該220kV變電站中，有主變電站2臺，分別有220kV、35kV、10kV等三個不同的電壓等級，容量為3×150MV·A，在1號主變電站中配置了電抗率為6%的串聯電抗器，容量為433kvar。然而，在實際運行中，電容器外熔絲群爆事故頻繁發生，為了找出事故原因，操作人員對1號變電站進行了電容器投切試驗，采用PS-8電能質量分析儀對電容器組支路的諧波電流進行監測并記錄電容器運行過程中的暫態波形。當在無電容器投運的情況下，電壓等級為10kV的母線電壓所產生的諧波電壓含有率為2.305%，其中5次、11次諧波電壓含量較大，主要與變電站所產生的負荷有關。在該實驗中，操作人員共進行了12余次電容器投切操作，包括有電容器和無電容器的情況下投運電容器，通過投運不同組數電容器的測試，在電容器組中串聯電抗器的電抗率為6%時，不同電容器組投運的電流數據見表1。從表中可以看出，在串抗率為6%的情況下，在3組電容器投運時3次諧波電流放大較為嚴重，其電壓含有率達到17.11%。然而，隨著投運組數的不斷增多，容抗值隨著投運組數的增多而越來越小，造成5次諧波的濾波效果下降。

分析電容器組等效串抗率，其是電容器與電抗器匹配設置的重要參數，其等效串抗率的公式為：

（3）

從公式中可以看出，電容器等效串抗率隨著電容器投運組數的增加而逐漸增加，分析串抗率為6%時和串抗率為4.5%時不同電容器組投運的等效串抗率，見表2，可知當串抗率為6%時，在第4組電容器全部運行或所產生的等效串抗率與3次諧波產生的等效串抗率相近，電容器組支路與電力系統的阻抗發生并聯諧振的趨勢。通過對該變電站現場測試，可知電容器串抗設計的不合理造成的電流諧波放大是引起并聯電容器熔絲群爆事故的常見原因，引起熔絲群爆的原有有很多，其外部原因有整個電容器過流而引起熔絲熔斷，內部原因有并聯電容器均會對擊穿的電容單元進行放電，從而引發群爆事故。

3 并聯電容器與串聯電抗器參數匹配選擇

面對因過電流作用而造成電容器外熔絲群爆等事故，在無功補償電容器組串聯電抗器的參數匹配中，應慎重選擇，既要考慮電容器組串聯電抗器的電抗率，也要充分考慮電容器組的等效串抗率，避免因參數選擇不當而造成電容器組諧振現象的發生。因此，在電容器設計中，首先，做好電容器容抗的選擇，在高次諧波情況下，往往會因為電容器容抗的變化而造成諧振過壓力、過流的情況發生，給電容器造成了嚴重的威脅。因此，為了有效避免此類情況的發生，可以結合實際情況選擇相應的串聯電抗器，適當放大電抗器的容量，確保電容器串聯回路整體呈現感性，從上述可知，5次、11次諧波含量較大，因此，在選擇串聯電抗器的電抗量中，可以以5次諧波為主，以為依據，可以求得與給定電容匹配的串聯電抗量。通過串聯電抗量的計算方法，可以得出，由此可知，串聯電抗器選擇電抗率為6%時可以滿足設計要求，可以有效避免與外接系統電抗發生并聯諧振的可能。其次，當實現電容器組與電抗器串聯回路后，補償電容器退出運行后，可以在很短時間內完成放電，雖然電容器的端電壓基本降為0，但電容器在合閘瞬間的端電壓不會發生變化，及短路，通過加入串聯電抗器，電路電流可以得到很好地控制。最后，將電抗器串接于電容器上側，由于電抗器對低電壓的絕緣水平要求較高，一般電容器選擇的額定電源應略高于系統標稱電壓，在這種情況下，即使電容器上側對低電壓的絕緣造成破壞形成地短路故障。因此，選擇半絕緣式的電抗器，其絕緣水平要求較低，可以起到抑制故障電流的作用。

結語

面對系統產生的諧波電流，為了確保的電力系統安全、穩定的運行，在設計電容器中，應考慮多方面的綜合因素，包括串聯電抗器的電抗率，電容器的等效串抗率及電容阻抗等因素，利用電容器回路串聯電抗器的方法，實現電容、電抗的參數匹配，避免電容器在主要諧波成分下諧振的發生，使電力電容器的作用在實際運行中發揮到最佳。

參考文獻

[1]朱海貌，夏曉波，黃銳.串聯電抗器抑制諧波的分析[J].電力電容器與無功補償，2012（01）：29-32.

[2]劉書銘，李瓊林，杜習周，余曉鵬，張曉東.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（04）：145-150.

[3]俞妍，龐海龍，趙玲，付少波，李紀紅.電容器裝置中串聯電抗器的作用及其選擇[J].現代電子技術，2012（24）：182-184.

[4]李維亞.線路變壓電抗器作為500kV及特高壓線路并聯電抗器的解決方案[J].南方電網技術，2010（01）：67-70.

[5]范彩杰.并聯電容器串聯電抗率參數選擇研究[D].華北電力大學，2013.