煤礦供電系統無功補償電容器串聯電抗器的選擇

王 強

（潞安礦業集團公司供電處，山西 長治046204）

0 引言

雖然在供電系統無功補償領域，隨著電力系統的發展，逐漸要求對負載無功需求跟蹤并對其進行快速動態補償的需求越來越大，尤其靜止無功補償裝置（SVC）和靜止無功發生器（SVG）近年來得到了很大的發展， 但是無功補償電容器作為傳統的無功補償方法有其經濟方便、結構簡單、安裝維護工作量小、等諸多優點，現在國內外仍有廣泛的應用。在很多煤礦供電系統里，大多6、10kV 母線依然采用并聯電容器進行無功補償，但是煤礦供電負荷中有大量的整流器、變頻器、電弧焊機等諧波源，針對諧波對并聯電容器的直接影響，通常還是給并聯電容器串接一定的電抗器以改變并聯電容器與系統阻抗的諧振點以及抑制并聯電容器對諧波的放大，同時起到限制合閘涌流的作用。 不過多年來變電所內由于電抗率的不匹配造成電容器的損壞，局部絕緣擊穿等問題仍時有發生，一是新安裝時測量的誤差和后來諧波源的變化；二是運行單位發現一個電容器損壞后，未能及時補充，而是為了三相平衡把另外非故障的那兩相各拆除一個，運行一段時間后，壞的更多。 總的來說，電容器組電抗率的準確匹配關系到電網的安全穩定運行，其計算方法也是供電工程技術人員應該掌握的。 本文通過我公司某110kV 變電站6kV 側并聯電容器分析計算電容器組的電抗率。

1 實例分析

1.1 某110kV 變電站基本情況

110/35/6kV 主變，容量為S 為40MW，短路容量Sd 為235.3MW，6kV 側兩組額定容量Qc 為2400Kvar 的電容器組，未接入自備電廠電源和煤礦風井前，配置了電抗率為1%的串聯電抗器，容量為24Kvar，電容器組投入運行后，測得6kV 母線電壓畸變率1.35%，其中3 次諧波畸變率1.05%，在一段時間內，電容器組運行正常。 后來隨著連續接入兩個風井， 原來帶的主要是供社區用電的一個35kV 站不再用本站電源，再后來一個老的自備火力發電廠改由本站并網，由于裝機容量小，而其自帶一個大的煤礦，電廠一般不會向電網輸電，就在本站系統連續變化的兩年多，電容器連續損壞好幾個，后來測得6kV 母線電壓畸變率4.75%超過了公用電網諧波電壓4%的限值， 其中3 次諧波畸變率1.4%，5 次諧波畸變率3.33%超過了公用電網諧波電壓3.2%的限值。在這樣的諧波背景下，電容器組原來配置的電抗率1%的串聯電抗器還可以繼續運行嗎？ 現進行計算分析選擇。

1.2 電抗率的計算分析選擇

電力系統中主要諧波源是電流源，其主要特征是外部阻抗變化時電流不變，故其簡化電路就是某次諧波從諧波電流源In 出發，分為兩個并聯回路，一個回路是電網系統Isn,另一個回路是串聯電抗器的電容器組Icn,設系統基波電抗為Xs,串聯電抗器的電容器組的基波電抗為Xl-Xc。 則電抗率K=Xl/Xc，系統諧波電抗為Xsn=nXs，電容器組諧波電抗nXl-Xc/n(對于系統的n 次諧波電阻Rsn＜＜Xsn,故可忽略Rsn)。

根據定壓和分流原理得：

當上式中(nXs+nXl-Xc/n)數值等于零時，即從諧波源看入的阻抗為∞，表示電容器裝置與電網在第n 次諧波發生并聯諧振，并可推導出電容器裝置的諧振容量

（1）諧波避免諧振分析

計算電抗率選擇1%時， 發生3 次、5 次諧波諧振的電容器容量，將有關參數代入式（2），得3 次、5 次諧波諧振電容器容量分別為

由此可見，2400 Kvar 的電容器組配置電抗率為1%的串聯電抗器不會發生3 次、5 次諧波并聯諧振或接近于諧振。

（2）諧波電壓放大率分析

由于諧波源為電流源， 諧波電壓放大率與諧波電流放大率相等，故由式（1）整理推導可得

諧波電壓放大率F=｜(n^2K-1)/(n^2s+n^2K-1)｜（其中s=Xs/Xc=Qc/Sd） （3）

現在國內對無功功率電容器串聯電抗器的電抗率參數只有1%、4.5-6%、12-14%，并且我國電網普遍存在3 次、5 次諧波，現在將該變電站的2400 Kvar 無功補償電容器組分別按照1%、4.5%、12%的電抗率配置，根據式（3），計算得電容器組對1～5 次諧波電壓放大率F 結果如下表所示:

表1

從上表可以看出， 該110kV 變電站6kV 母線2400Kvar 并聯電容器組選用電抗率1%的串聯電抗器， 對3 次、5 次諧波電壓產生了放大，其中對3 次諧波電壓放大率F 為1.11，對5 次諧波電壓放大率F為1.48。投入運行后5 次諧波超過了公用電網諧波電壓（相電壓）3.2%的限值。 故該站6kV 母線并聯電容器組選用電抗率為1%的串聯電抗器是不合理的。 后來通過廠家改造，配置了電抗率為4.5%的串聯電抗器，測得6kV 母線電壓畸變率2.45%，其中3 次諧波畸變率1.38%，5次諧波畸變率1%，與計算基本相符。

2 總結和建議

電抗率的選擇比較復雜，因為電力諧波本身是不穩定的，大小和頻次都可能變，隨著負荷不斷地變化，諧波的變化更大。對配置好的電容器組電抗率，對某次諧波起到了抑制作用，但對其他某次諧波可能就放大了好多。一般情況下，系統諧波背景以3 次為主的話，選擇無功補償電容器組電抗率12%-14%；諧波背景以5 次為主的話，選擇電抗率4.5%-6%；如果3、5 次諧波電壓的畸變率都不大，在諧波電壓放大后都未接近或超過國家公用電網諧波電壓的限值，只是想避開諧振和抑制高次諧波的話， 選擇電抗率1%即可， 同時可減小無功功率的損失；但是也存在測量的不準確和電容電抗制造的誤差等，是實際安裝運行的電抗率并不是設計計算出的電抗率，從實踐中得出，選擇電抗率適當高一點，對電網的安全運行或有好處。總之，建議對于已經投運的電容器裝置，其串聯電抗器選擇合理與否需進一步驗算，隨著電源和負荷的變化，及時了解電網諧波背景的變化，并不定期組織現場實測。對于電抗率選擇合理的電容器裝置不得隨意增大或減小電容器組的容量，對于損壞的電容器要及時更換。

［1］王兆安,等,編.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業出版社,2005,10.

［2］王正風.無功功率與電力系統運行[M].中國電力出版社,2012,02.