0 引言
隨著變頻器、電力節(jié)電器等非線性負(fù)荷的推廣使用，電力網(wǎng)的諧波含量越來越大。電網(wǎng)諧波對電力無功補(bǔ)償設(shè)備有著極大的影響，在諧波嚴(yán)重的局部電網(wǎng)，無電抗的電容器無功補(bǔ)償設(shè)備幾乎無法工作。許多企業(yè)采用電容器串接電抗器的無功補(bǔ)償方式來回避諧波，但是由于不清楚電抗值的計算方法，不僅達(dá)不到理想補(bǔ)償效果，反而造成了諧波放大。一些企業(yè)選用了無源濾波器，但由于沒有對電網(wǎng)參數(shù)精確測算，投入運(yùn)行后不能正常運(yùn)行。針對低壓系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)闹C波治理問題，本文對補(bǔ)償電容器串接電抗器的設(shè)計計算進(jìn)行了詳細(xì)的說明，還對無源濾波器在設(shè)計中的模糊概念進(jìn)行了澄清，提出了用串接電抗器解決電網(wǎng)諧波下無法使用無源濾波器的問題，并給出了實(shí)用的計算方法。
1 諧波的主要構(gòu)成成分
諧波產(chǎn)生的原因是多種多樣的，但電網(wǎng)諧波的主要構(gòu)成并不復(fù)雜。電網(wǎng)諧波是指基波的整數(shù)倍的高次波，即2、3、4、5……次諧波。各次諧波中，偶次諧波是由于信號正負(fù)半周的不對稱所形成的，而電網(wǎng)中電流正負(fù)半周的不對稱的情況不常見，因此偶次諧波的含量很小。在三相系統(tǒng)中，3、6、9……等3 的整數(shù)次諧波的相位相同，在三相三線的系統(tǒng)中不能流通，在三相補(bǔ)償電容器中也不能流通。只要不是分相補(bǔ)償就不需要考慮3 的整數(shù)次諧波的影響。
在多數(shù)情況下，諧波是由非線性負(fù)荷產(chǎn)生的，主要是整流濾波，它在電網(wǎng)中產(chǎn)生PN依1 次諧波，P是一周內(nèi)整流形成的直流波頭數(shù)，N 是自然數(shù)，三相整流最低諧波次數(shù)是5 次。
在中頻爐、變頻器等逆變類負(fù)荷中，逆變頻率與電網(wǎng)頻率無關(guān)，會產(chǎn)生頻率并不是基波的整數(shù)倍諧波，有人稱其為分?jǐn)?shù)次諧波。但這些諧波被整流濾波電路隔離不會直接反饋到電網(wǎng)中去。
在電弧爐、電解鋁、氯堿廠等大型沖擊性不對稱負(fù)荷中，雖然諧波的成分非常復(fù)雜且含量很大，但由于其工作的間斷性產(chǎn)生的諧波多為間諧波，特點(diǎn)是持續(xù)時間短，頻譜雜亂，疊加后形成白噪聲。這類諧波可以通過在諧波負(fù)載前加裝低通濾波器進(jìn)行治理。
電力機(jī)車是人們公認(rèn)的諧波源，但電力機(jī)車主要形成的是陷波和不平衡負(fù)載，通過Y/吟接線的變壓器后3 的倍數(shù)次諧波被隔離，注入電網(wǎng)的諧波成分與逆變類負(fù)荷一樣，所以電網(wǎng)諧波的主要成分是5、7、11、13、17、19……次諧波。
2 諧波對無功補(bǔ)償?shù)挠绊?/p>
當(dāng)諧波源位于進(jìn)行補(bǔ)償?shù)木植侩娋W(wǎng)中時稱為內(nèi)網(wǎng)諧波。對于內(nèi)網(wǎng)諧波，補(bǔ)償電容與系統(tǒng)阻抗(包括主變壓器漏電抗和電網(wǎng)阻抗)之間是并聯(lián)關(guān)系，如果并聯(lián)諧振頻率剛好與諧波源頻率相等就會發(fā)生并聯(lián)諧振，出現(xiàn)諧波電流放大現(xiàn)象，此時即使電容器補(bǔ)償容量大于諧波源容量，電容器也可能過負(fù)荷。內(nèi)網(wǎng)諧波源容量通常小于局部網(wǎng)主變壓器容量，應(yīng)該使用并聯(lián)濾波器將其吸收。
當(dāng)諧波是由上一級電網(wǎng)經(jīng)主變壓器竄入本級電網(wǎng)時稱為外網(wǎng)諧波。對于外網(wǎng)諧波，補(bǔ)償電容與系統(tǒng)阻抗之間是串聯(lián)關(guān)系，如果串聯(lián)諧振頻率剛好與系統(tǒng)中諧波源頻率相等就會發(fā)生串聯(lián)諧振，出現(xiàn)諧波電壓放大現(xiàn)象，可能造成補(bǔ)償電容器過負(fù)荷。由于系統(tǒng)諧波源往往容量較大，此時使用并聯(lián)濾波器將其吸收通常是不可能的，所以只能采取串接電抗器濾波的方式阻止過量的諧波進(jìn)入電容器。因此，只有區(qū)分內(nèi)網(wǎng)諧波與外網(wǎng)諧波，才能采用正確的補(bǔ)償濾波方式，這是十分重要的。
3 外網(wǎng)諧波下無功補(bǔ)償設(shè)計
依據(jù)電網(wǎng)中沒有2、3、4 次諧波的特點(diǎn)，工程上采用在補(bǔ)償電容器上串接電抗器的方法來抑
串聯(lián)電抗后，電容串聯(lián)電路的諧振頻率點(diǎn)降到了5 次諧波以下，由于系統(tǒng)中5 次以下的諧波含量很少，所以不會發(fā)生串聯(lián)諧振。呈現(xiàn)的電氣特性是，對于大于諧振頻率點(diǎn)的諧波電容串聯(lián)電路呈現(xiàn)感性，對于低于諧振頻率點(diǎn)的基波電容串聯(lián)電路呈現(xiàn)容性。
人們?nèi)菀渍J(rèn)為只要串接電抗器后電路對系統(tǒng)諧波呈感性就可以起到抑制諧波的作用了，其實(shí)不然，如果電路的諧振點(diǎn)選得過高，不僅不能抑制諧波，反而可能放大諧波。從圖1 的曲線2 的特征可以看出，盡管串接電抗后在5 次諧波頻點(diǎn)上電路特性成為感性，但其電抗的模值卻小于串電抗之前曲線1 的模值。也就是說串接電抗后流入電容器的5 次諧波電流更大了。所以在選擇電抗器電抗值時應(yīng)該保證串接電抗后最低次諧波的阻抗模值不降低，實(shí)際設(shè)計中可以根據(jù)系統(tǒng)的電壓諧波Esk的大小，計算出可能出現(xiàn)的最大的流入補(bǔ)償電容器的諧波電流，并計算出主要諧波電流和基波電流的均方根值，用均方根值校驗(yàn)有諧波時電容器的過載情況。各次諧波電流的計算方式為
在分組投切的電容器補(bǔ)償系統(tǒng)中，電抗器要串接在分組電容器上，不能用一組電抗器帶多組電容。在電容器的補(bǔ)償容量可能會變小的場合(例如自愈式電容器)，計算要有一定的富裕量，避免諧振點(diǎn)上移造成阻波失效。
也不是說串接電抗越大越好。從圖1 可以看到串接電抗后串聯(lián)回路的基波總阻抗也減小了，而電容器的容抗并沒有變，所以當(dāng)電容器串接了電抗器之后，電容器的工頻基波端電壓會升高。電壓升高后的值接近于串接電抗前工作電壓的XC/(XC-XL)倍，電抗選得越大電壓升高越多，故在選擇電容器的額定電壓時必須高過這個電壓。除考慮基波電壓升高外，還應(yīng)該考慮諧波電壓會疊加在基波電壓之上出現(xiàn)的尖峰電壓?？捎眉夥咫妷盒ｒ?yàn)電容器短時過電壓能力，一般電力電容器都應(yīng)達(dá)到過電壓170% 1 min 不擊穿的耐壓水平，如果所用的產(chǎn)品耐壓達(dá)不到要求，就需要把電容器額定電壓再提高10豫耀20%。[!--empirenews.page--]
4 內(nèi)網(wǎng)諧波下無功補(bǔ)償設(shè)計
內(nèi)網(wǎng)諧波是企業(yè)自身的非線性負(fù)載造成的，所以其容量有限。在設(shè)計補(bǔ)償器時原則上不應(yīng)該采用串接電抗器方式，因?yàn)檫@樣做是把局部電網(wǎng)的諧波推向了上一級電網(wǎng)。
正確的方式應(yīng)該是采用諧波濾波器把電網(wǎng)自身產(chǎn)生的諧波吸收掉，再對電路進(jìn)行無功補(bǔ)償。圖2 是最常用的無源濾波器的接線原理圖。設(shè)計中各次諧波支路濾波電容的容量必須大于內(nèi)網(wǎng)諧波源的容量。在無功補(bǔ)償容量不超限額的情況下，可以把電容器容量選得一樣大。因?yàn)殡娙萜鞯膬r格遠(yuǎn)小于電抗器的價格，電容器容量越大，同樣諧振頻率所需的電抗就越小，總體造價越便宜。在濾波電抗器的設(shè)計中，電抗器的額定電流只需大于內(nèi)網(wǎng)諧波源的諧波電流就可以了。電容的容抗值與電抗器的電抗值按所濾諧波的串聯(lián)諧振條件確定。例如7 次諧波濾波電容器在基波頻率時的容抗值為XC7 ，那么7 次諧波電抗器在基波時的電抗值為XL7=XC7/72=XC7伊2%。圖2 中列出了部分濾波電抗的近似值。諧波濾波器每一條支路只對本次諧波呈現(xiàn)阻抗最低，對于基波各支路都呈現(xiàn)容性，所以各支路都在進(jìn)行著無功補(bǔ)償。在計算補(bǔ)償容量時，k 次濾波支路的無功補(bǔ)償容量是不串接電抗器時電容器補(bǔ)償容量的[k2/(k2-1)]2 倍。如果計算出來無功補(bǔ)償容量達(dá)不到總體設(shè)計要求，那么可以額外增設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備。當(dāng)然也可以加大諧波濾波器各支路的容量，但這樣不利于補(bǔ)償容量的調(diào)整。
在選擇電容器額定電壓時，要在系統(tǒng)工頻電壓的基礎(chǔ)上再加上濾波器諧振附加電壓，諧振附加電壓值按濾波電容流過最大可能的諧波電流計算。例如5 次諧波濾波電容的基波下容抗為XC5，通過的最大5 次諧波電流為I5 ，那么5 次諧振附加電壓為
5 內(nèi)網(wǎng)諧波與外網(wǎng)諧波無功補(bǔ)償設(shè)計
在實(shí)際系統(tǒng)中往往不僅有內(nèi)網(wǎng)諧波，同時還有外網(wǎng)諧波。外網(wǎng)諧波源容量大，會穿過變壓器電抗進(jìn)入濾波器，使濾波器嚴(yán)重過負(fù)載而燒毀。有文章提出，采用調(diào)整濾波器的諧振頻率的方式，使諧振點(diǎn)改變到諧波不存在的頻率上去，例如4、6、8、10 次諧波頻率。這實(shí)際是一種躲避方式，這種方式不僅會削弱濾波器對內(nèi)網(wǎng)諧波的濾波作用，而且很危險。由于濾波支路諧振頻率與系統(tǒng)諧波頻率非常接近，一旦電網(wǎng)運(yùn)行方式變化或是電容參數(shù)變化，就有可能與外網(wǎng)諧波發(fā)生諧振，造成濾波器過負(fù)載，甚至燒毀。
比較合理的方式是在濾波器與電源之間串接電抗器，如圖3所示。對于內(nèi)網(wǎng)諧波，這種方式的濾波器的諧振點(diǎn)保持與諧波源的諧波頻率一致，不會影響濾波效果。對于外網(wǎng)諧波，濾波器始終呈現(xiàn)感性，不會造成補(bǔ)償、濾波電容器的過負(fù)荷。
5 次諧波電抗基波值的1到2 倍，計算下來的駐Ik不會超過內(nèi)網(wǎng)最大濾波電流的10豫~20%。
電抗值XL也不能取得過大，因?yàn)榧尤腚娍箷邽V波器入口基波電壓。如果濾波器有5 次、7次、11 次、13 次以上4 條濾波之路，那么與串接電抗之前相比，串接電抗后電壓大約升高的倍數(shù)為
6 結(jié)語
在有諧波的電網(wǎng)中進(jìn)行無功補(bǔ)償應(yīng)該采用串接電抗器的補(bǔ)償方式，這不僅能解決簡單電容器補(bǔ)償?shù)倪^流、過壓問題，也可以解決多支路無源濾波器的過載問題。設(shè)計中電抗器參數(shù)的計算十分重要，不僅要檢驗(yàn)電抗器下限值對諧波的阻波作用，還要檢驗(yàn)電抗器上限值給補(bǔ)償濾波回路造成的電壓升高，按照本文給出的計算公式可以方便地計算出所需要的電抗值。
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