帶串聯電抗器的并聯電容器組無功輸出的計算分析

鄧小電

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帶串聯電抗器的并聯電容器組無功輸出的計算分析

鄧小電

（浙江誠信人才資源交流服務有限公司，浙江 杭州 310000）

為抑制電力系統中3次諧波和5次諧波對電容器產生的危害，串聯電抗器電抗百分率要求在4.5%～6.0%之間，具體應用效果主要根據并聯電容器組無功輸出結果確定。對并聯電容器中串聯電抗器的作用及選擇進行分析，進而通過帶串聯電抗器的并聯電容器組無功輸出計算，判斷串聯電抗器電抗百分率應選擇上限還是下限。

帶串聯電抗器；并聯電容器組；無功輸出；電抗百分率

1 引言

隨著電力電子技術的快速發展，供電系統復雜性也逐漸增加，系統內包含大量非線性負載，包括低壓小容量家電、高壓大容量交直流變換裝置、靜止變流器等。在電力系統運行過程中，存在電流、電壓畸變引起的諧波污染問題，容易對電網產生沖擊，導致電容器設備受到損壞。一般應用在并聯電容器組中串聯電抗器的方法抑制諧波污染，但需要合理選擇串聯電抗器的電抗百分率，綜合考慮無功輸出計算結果等方面的因素，才能達到最佳的效果。

2 串聯電抗器的作用及選擇

2.1 串聯電抗器的作用

在電能質量綜合治理要求下，各地區配變電站選擇主要污染源和敏感負荷中心設立電能質量控制中心，對電能質量進行在線監測。在諧波污染未得到有效整治前，如果將并聯電容器組接入到母線中，容易導致諧波被放大。對于此類問題，在并聯電容器組中接入串聯電抗器，可有效抑制高次諧波的產生，同時也能起到限制合閘涌流的作用，從而避免因諧波污染導致電容器出現損壞。但串聯電抗器不能與電容器組隨意組合，需要充分考慮電容器組接入處的母線諧波情況，合理選擇串聯電抗器的電抗率，從而充分發揮其抑制諧波的作用[1]。

2.2 串聯電抗器的選擇

串聯電抗器的電抗率選擇范圍為4.5%～6%，通常情況下，取上限值，即6%.要合理選擇電抗率，必須先對電容器的接入處母線諧波情況進行了解。在IEC標準中，將并聯電容器組串聯的電抗器分為阻尼電抗器、調諧電抗器兩種。其中，阻尼電抗器的作用主要是對電容器組合閘涌流加以限制，電抗率選擇一般較小，為0.1%～1%.調諧電抗器的主要作用是抑制諧波，其電抗率選擇相對較大，從而對并聯電容器組電路參數進行調節，使各支路對各次有威脅性諧波的最低次諧波阻抗成為感性。此外，串聯電抗器選擇還包括串聯電抗器額定端電壓、串聯電抗器額定電容選擇等。串聯電抗器額定電壓主要與電抗率和電容器額定電壓有關，等于兩者的乘積。串聯電抗器的額定電容等于電容器額定容量與電抗率的乘積，主要與電容器額定電壓、額定容量、電抗率有關[2]。

綜合上述分析，在對串聯電抗器額定容量進行選擇時，應遵循以下幾點原則：①如果電容器接入處母線為3次或3次以上的諧波，串聯電抗器的電抗率可選擇4.5%～6%或12%兩種；②如果電容器接入處的諧波為3次和5次諧波，且3次諧波較少，5次諧波較多，應選擇4.5%～6%電抗率的串聯電抗器，相反，如果3次諧波較多，5次諧波較少，可選擇0.1%～1%電抗率的串聯電抗器，但需要進行驗算，確保3次諧波放大在國標限制以內，且有一定裕度；③如果電容器接入處母線為5次及5次以上的諧波，且5次諧波含量較少，可選擇4.5%～6%串聯電抗器，相反如果5次諧波較多，則應選擇4.5%串聯電抗器。

此外還要注意，如果采用0.1%～1%串聯電抗器，要避免電容器接入導致5次和6次諧波被嚴重放大，如果采用4.%～6%串聯電抗器，要避免電容器接入導致3次諧波被嚴重放大。具體的串聯電抗器選擇以及目前關于選擇電抗率上限還是下限的爭議問題，還需要通過并聯電容器組無功輸出計算確定[3]。

3 帶串聯電抗器的并聯電容器組無功輸出計算及相關建議

3.1 無功輸出計算

3.1.1 目標系統

3.1.2 電抗率為6.0%與電抗率為4.5%的無功輸出值計算

首先計算串聯電抗器電抗率為6.0%時的無功輸出值，電容器端電壓計算公式為：

式（1）中：s為系統電壓；為電抗器電抗率。

串聯電抗器端電壓的計算公式為：

R=c. （2）

式（2）中：c為電容器端電壓。

根據這兩個公式可以對10 kV配電系統中的無功輸出進行計算，當配電系統電壓下降到10.34 kV時，電容器組的總無功輸出才為4 700 kvar，而多數情況下，10 kV系統電壓在10.5 kV以上，當電壓超過10.666 kV后，電容器組總無功輸出值已經超過了5 000 kvar。

同理，對串聯電抗器電抗率為4.5%時的電容器無功輸出值進行計算，除電抗率改變外，其他參數不變，同樣采用上述兩個公式進行計算。在串聯電抗器電抗率為4.5%時，系統電壓為10.00 kV，電容器容量為4 171.165 kvar，總無功輸出值為3 983.463 kvar。系統電壓為10.00 kV時，采用電抗率為4.5%的串聯電抗器，可以使電容器組的無功輸出下降到電抗率6%時的90.6%水平。如果電容器組的母線存在少量3次諧波，使用電抗率為4.5%的串聯電抗器會對3次諧波產生放大效果，且放大量會比選擇電抗率為6%的串聯電抗器大。

由此可以看出，串聯電抗器電抗率選擇下限值4.5%，未必在任何情況下都適用，對于10 kV配電系統電壓偏低的母線處，選擇電抗率小的串聯電抗器，其無功輸出效果反而不好。通過對電抗率為6%和電抗率為4.5%的帶串聯電抗器電容器組進行計算分析，可以比較出其優劣性。在電抗器投入成本方面，電抗率為4.5%的電抗器成本較少，更具有優勢，其無功輸出一般偏小。采用電抗率為6%的串聯電抗器，雖然無功輸出偏大，但3次諧波放大量較小，5次諧波諧振危險性也較低。因此，如果出于成本考慮要選擇電抗率為4.5%的串聯電抗器，還需要對實際情況進行計算分析，防止出現諧波危害。

3.1.3 電抗率為12%與電抗率為13%的無功輸出值計算

電壓11.260 kV時電容器電容為5 685.334 kvar，總無功輸出為5 003.094 kvar。同樣僅將電抗率改變為13%，再次進行電容器組總無功輸出計算。電壓為11.200 kV時，電容器容量為5 753.963 kvar，總無功輸出功率為50 005.948 kvar。當電容器組達到5 000 kvar額定輸出時，電抗率在12%時出現在電壓11.25 kV情況下，電抗率為13%時出現在11.20 kV時，諧波串聯諧振危害與電抗率為4.5%和電抗率為6%的分析情況一致，不再贅述。

3.2 主要結論及相關建議

通過對帶串聯電抗器的并聯電容器組無功輸出計算可以看出，無論是對于存在3次諧波還是5次諧波的系統母線，取電抗率下限都未必能夠獲得更好的效果，雖然在電抗器投入方面成本得到降低，但容易引發諧波串聯諧振危險。通過本次研究主要提出以下幾點建議：①新建變電所串聯電抗器選擇必須慎重，應充分考慮電容器組接入處的諧波情況，不能只考慮經濟因素；②對已投入運行的電容器組，其電抗器選擇也要經過驗算，并進行現場實測，且不能隨意改變電容器容量，否則必須在驗算后更換合適的串聯電抗器；③電能質量綜合治理是一項系統工程，在串聯電抗器選擇和應用過程中，需要以電氣安全為前提，并采取多層治理、分級協調的原則，確保系統運行穩定性。

4 結束語

綜上所述，采用串聯電抗器是治理并聯電容器組電路諧波的有效途徑，但要對串聯電抗器的電抗率進行合理選擇。通過本次的計算分析，可以為串聯電抗器選擇提供參考，并通過電容器組無功輸出計算，解決了目前串聯電抗器選擇存在爭議的問題，希望能為相關電氣設計活動提供借鑒。

［1］沈南洋.低壓并聯電容器額定電壓及安裝容量計算［J］.廣東化工，2016，43（13）：218-219，232.

［2］陳濤，高平，黃艷鈴，等.低壓配電網并聯電容器無功補償優化算法的研究［J］.哈爾濱理工大學學報，2010，15（3）：82-85.

［3］許紅兵.并聯電容器無功補償的經濟運行［J］.電力電容器，2006（2）：12-14，17.

TM53

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.130

2095－6835（2018）22－0130－02

〔編輯：嚴麗琴〕