電纜電容對港口供配電系統諧波放大作用的分析

初洋

（山東港通工程管理咨詢有限公司,山東 煙臺264000）

直流輸電工程項目的展開,使得電網當中產生的諧波含量不斷增加,進一步影響電能質量,對于港口供配電系統中各個用電設備的安全運行造成嚴重的威脅,從而降低港口企業的經濟效益[1]。針對這一問題,開展電纜電容對港口供配電系統諧波放大作用分析研究。

1 電纜電容器組運行限值

在港口供配電系統當中,根據日常運行的供配電需要,電纜電容通常采用由微機控制的并聯式電纜電容設備組成,針對其運行的各項需要,在正式使用電纜電容前,需要對其基波無功功率進行分相分析,但由于在運行過程中會產生諧波并且隨之而來的放大作用,在不進行任何補救措施下,諧波的不斷疊加會直接影響供配電系統線路的工作電壓,使其出現上升的趨勢,進而出現過載現象。進一步造成注入到電纜電容當中的諧波容抗以及供配電系統感抗逐漸趨近于相同,引起二者之間的諧振作用,造成電纜電容的嚴重損壞,甚至發生爆炸,威脅到港口供配電系統中其他真正在運行設備的安全性[2]。根據港口供配電系統的運行標準,電纜電容在實際運行過程中的參數可以比額定值稍高,并在滿足供配電系統安全運行的前提條件下,得出如表1 所示的運行限值。

表1 電纜電容器組運行限值

表1 中的電纜電容器組運行限值是在允許港口供配電系統長時間運行的前提下得出。但在實際情況中,電纜電容由于處于長時間的臨界狀態。雖然不會產生絕緣擊穿等安全事故問題,但由于受到諧波放大作用的影響,電纜電容器組的介質損耗會不斷增加,進而造成電纜電容的額外發熱,最終影響電纜電容的使用壽命。

2 電纜電容諧波電流放大機理

根據港口供配電系統的導則規定,在規格為55～220kV 的變電站的站中,電纜電容通常設置在變壓裝置低壓側位置上；對于供電距離相對較遠、末端電壓低于12.5V 的架空線路上,通常利用電纜電容進行無功補償[3]。首先,考慮電纜電容安裝在變壓裝置低壓側位置的情況,將港口供配電系統產生的諧波看作是恒流源,得出如圖1 所示的港口供配電系統連線圖。

圖1 港口供配電系統連線圖

再根據圖1 中的連線情況,對電流和電壓的流動方向進行分析,得出如圖2 所示的港口供配電系統等值電路圖。

圖2 港口供配電系統等值電路圖

結合圖1 和圖2 中的港口供配電系統電流和電壓傳輸情況得出：

第一,當電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統諧波電抗之比大于零時,電纜電容之路上的阻抗呈感性,供配電系統與電纜電容之路均不會出現諧波電流放大的現象[4]；

第二,當電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統諧波電抗之比等于零時,電纜電容之路上的阻抗呈阻性,此時諧波次數逐漸增加,并使得諧波電流嚴重放大。當電纜電容中電抗值在諧波放大作用下,并聯的電纜電容之路總電抗會逐漸趨于0；

第三,當電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統諧波電抗之比大于1,但小于0 時,電纜電容之路上的阻抗呈容性,電纜電容會吸收部分的諧波,并發生電纜電容諧波電流增加的現象,而港口供配電系統的諧波電流也會在一定程度上受到抑制；

第四,當電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統諧波電抗之比等于-1 時,此時港口供配電系統的支路和與之并聯的電纜電容之路的諧波電流會逐漸增加,并最終達到最大值,伴隨著諧波并聯諧振的產生,如圖3 所示。當發生并聯諧振時,工頻條件下的供配電系統感抗數值較大,較小的激勵電流會產生巨大的電壓,并使得公共連接點的諧波電壓逐漸增加,最終引起港口供配電系統低壓母線電壓諧波含量的快速增加,在最短的時間內使諧波電壓超出規定標準范圍；

圖3 電纜電容諧波電路圖

第五,當電纜電容之路諧波電抗與港口供配電系統諧波電抗之比小于-1 時,則電纜電容會向港口供配電系統倒送諧波電流,供配電系統諧波電流則仍然存在較大的放電可能性。

3 電纜電容諧波串并聯諧振

在港口供配電系統處于工頻條件下,電纜電容的等效感抗通常會比實際的等效容抗更小,因此不具備產生諧振的條件。但在這一過程中,隨著港口供配電系統的諧波產生,并隨著疊加造成更加明顯的諧振現象,相應的供配電阻抗也會發生巨大的變化,使得感抗表現出大幅度的增加趨勢,進而造成容抗減小。因此,針對工控供配電系統電纜電容諧波諧振的參數匹配條件,將其劃分為串聯諧振和并聯諧振兩種不同情況。表2 為串聯電纜電容、并聯電纜電容和主變壓各參數對應表。

表2 串聯電纜電容、并聯電纜電容和主變壓參數表

根據表2 中的內容,在明確不同電纜電容設備類型的前提條件下,再結合表3 中港口供配電系統中、低壓測負載情況,對串聯諧振和并聯諧振兩種情況進行分析。

表3 港口供配電系統中、低壓測負載情況

當發生串聯諧振時,電纜電容的容抗和感抗相同,則電路當中的電壓和電流相位相同,使電路整體呈現出明顯的電阻性。當港口供配電系統電纜電容發生串聯諧振時,電路當中的總阻抗達到最小時,使電流達到最大值。當發生并聯諧振時,確保港口供配電線系統始終處于正常運行狀態當中,電纜電容的容抗和感抗始終存在著較大的差異,并且電路當中的電壓和電流相位也不相同,電路整體呈現出明顯的電容性。無論是串聯諧振還是并聯諧振,其產生時均需要滿足相同的諧振頻率、諧振諧波次數和電容電感的電抗。但串聯諧振和并聯諧振產生時,其電路的品質因數存在較大的差異。

4 結論

本文通過開展電纜電容對港口供配電系統諧波放大作用分析研究,從電纜電容的運行限值出發,得出港口供配電線同諧波對電纜電容各項主要運行指標的定性均造成一定程度的影響,并進一步得出電纜電容諧波放大效應與諧波諧振參數匹配條件,得出電纜電容綜合諧波阻抗和港口供配電系統等效諧波電抗之間的關系,通過本文研究可為未來諧波控制提供有效的理論依據支撐。