煤礦供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償電容器串聯(lián)電抗器的選擇

王 強(qiáng)

（潞安礦業(yè)集團(tuán)公司供電處，山西 長(zhǎng)治046204）

0 引言

雖然在供電系統(tǒng)無功補(bǔ)償領(lǐng)域，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，逐漸要求對(duì)負(fù)載無功需求跟蹤并對(duì)其進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)男枨笤絹碓酱螅绕潇o止無功補(bǔ)償裝置（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG）近年來得到了很大的發(fā)展， 但是無功補(bǔ)償電容器作為傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償方法有其經(jīng)濟(jì)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)工作量小、等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國內(nèi)外仍有廣泛的應(yīng)用。在很多煤礦供電系統(tǒng)里，大多6、10kV 母線依然采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，但是煤礦供電負(fù)荷中有大量的整流器、變頻器、電弧焊機(jī)等諧波源，針對(duì)諧波對(duì)并聯(lián)電容器的直接影響，通常還是給并聯(lián)電容器串接一定的電抗器以改變并聯(lián)電容器與系統(tǒng)阻抗的諧振點(diǎn)以及抑制并聯(lián)電容器對(duì)諧波的放大，同時(shí)起到限制合閘涌流的作用。 不過多年來變電所內(nèi)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(shí)有發(fā)生，一是新安裝時(shí)測(cè)量的誤差和后來諧波源的變化；二是運(yùn)行單位發(fā)現(xiàn)一個(gè)電容器損壞后，未能及時(shí)補(bǔ)充，而是為了三相平衡把另外非故障的那兩相各拆除一個(gè)，運(yùn)行一段時(shí)間后，壞的更多。 總的來說，電容器組電抗率的準(zhǔn)確匹配關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其計(jì)算方法也是供電工程技術(shù)人員應(yīng)該掌握的。 本文通過我公司某110kV 變電站6kV 側(cè)并聯(lián)電容器分析計(jì)算電容器組的電抗率。

1 實(shí)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(cè)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(fēng)井前，配置了電抗率為1%的串聯(lián)電抗器，容量為24Kvar，電容器組投入運(yùn)行后，測(cè)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(shí)間內(nèi)，電容器組運(yùn)行正常。 后來隨著連續(xù)接入兩個(gè)風(fēng)井， 原來帶的主要是供社區(qū)用電的一個(gè)35kV 站不再用本站電源，再后來一個(gè)老的自備火力發(fā)電廠改由本站并網(wǎng)，由于裝機(jī)容量小，而其自帶一個(gè)大的煤礦，電廠一般不會(huì)向電網(wǎng)輸電，就在本站系統(tǒng)連續(xù)變化的兩年多，電容器連續(xù)損壞好幾個(gè)，后來測(cè)得6kV 母線電壓畸變率4.75%超過了公用電網(wǎng)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(wǎng)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(lián)電抗器還可以繼續(xù)運(yùn)行嗎？ 現(xiàn)進(jìn)行計(jì)算分析選擇。

1.2 電抗率的計(jì)算分析選擇

電力系統(tǒng)中主要諧波源是電流源，其主要特征是外部阻抗變化時(shí)電流不變，故其簡(jiǎn)化電路就是某次諧波從諧波電流源In 出發(fā)，分為兩個(gè)并聯(lián)回路，一個(gè)回路是電網(wǎng)系統(tǒng)Isn,另一個(gè)回路是串聯(lián)電抗器的電容器組Icn,設(shè)系統(tǒng)基波電抗為Xs,串聯(lián)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(tǒng)諧波電抗為Xsn=nXs，電容器組諧波電抗nXl-Xc/n(對(duì)于系統(tǒng)的n 次諧波電阻Rsn＜＜Xsn,故可忽略Rsn)。

根據(jù)定壓和分流原理得：

當(dāng)上式中(nXs+nXl-Xc/n)數(shù)值等于零時(shí)，即從諧波源看入的阻抗為∞，表示電容器裝置與電網(wǎng)在第n 次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并可推導(dǎo)出電容器裝置的諧振容量

（1）諧波避免諧振分析

計(jì)算電抗率選擇1%時(shí)， 發(fā)生3 次、5 次諧波諧振的電容器容量，將有關(guān)參數(shù)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(lián)電抗器不會(huì)發(fā)生3 次、5 次諧波并聯(lián)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(dǎo)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(xiàn)在國內(nèi)對(duì)無功功率電容器串聯(lián)電抗器的電抗率參數(shù)只有1%、4.5-6%、12-14%，并且我國電網(wǎng)普遍存在3 次、5 次諧波，現(xiàn)在將該變電站的2400 Kvar 無功補(bǔ)償電容器組分別按照1%、4.5%、12%的電抗率配置，根據(jù)式（3），計(jì)算得電容器組對(duì)1～5 次諧波電壓放大率F 結(jié)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(lián)電容器組選用電抗率1%的串聯(lián)電抗器， 對(duì)3 次、5 次諧波電壓產(chǎn)生了放大，其中對(duì)3 次諧波電壓放大率F 為1.11，對(duì)5 次諧波電壓放大率F為1.48。投入運(yùn)行后5 次諧波超過了公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）3.2%的限值。 故該站6kV 母線并聯(lián)電容器組選用電抗率為1%的串聯(lián)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(lián)電抗器，測(cè)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(jì)算基本相符。

2 總結(jié)和建議

電抗率的選擇比較復(fù)雜，因?yàn)殡娏χC波本身是不穩(wěn)定的，大小和頻次都可能變，隨著負(fù)荷不斷地變化，諧波的變化更大。對(duì)配置好的電容器組電抗率，對(duì)某次諧波起到了抑制作用，但對(duì)其他某次諧波可能就放大了好多。一般情況下，系統(tǒng)諧波背景以3 次為主的話，選擇無功補(bǔ)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(wǎng)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(shí)可減小無功功率的損失；但是也存在測(cè)量的不準(zhǔn)確和電容電抗制造的誤差等，是實(shí)際安裝運(yùn)行的電抗率并不是設(shè)計(jì)計(jì)算出的電抗率，從實(shí)踐中得出，選擇電抗率適當(dāng)高一點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行或有好處。總之，建議對(duì)于已經(jīng)投運(yùn)的電容器裝置，其串聯(lián)電抗器選擇合理與否需進(jìn)一步驗(yàn)算，隨著電源和負(fù)荷的變化，及時(shí)了解電網(wǎng)諧波背景的變化，并不定期組織現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。對(duì)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(duì)于損壞的電容器要及時(shí)更換。

［1］王兆安,等,編.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2005,10.

［2］王正風(fēng).無功功率與電力系統(tǒng)運(yùn)行[M].中國電力出版社,2012,02.