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電能質(zhì)量
專家診治

把電能質(zhì)量問題交給領(lǐng)步400-056-5258

無功補(bǔ)償中對諧波的抑制作用及電抗率的選擇

返回列表來源：領(lǐng)步電能質(zhì)量發(fā)布時間：2016-04-22分享加入收藏關(guān)注：-

專家講堂2

引言
隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，如低壓小容量家用電器和高壓大容量的工業(yè)用交、直流變換裝置，特別是靜止變流器的采用，由于它是以開關(guān)方式工作的，會引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，從而引起電網(wǎng)的諧波“污染”。產(chǎn)生電網(wǎng)諧波“污染”的另一個重要原因是電網(wǎng)接有沖擊性、波動性負(fù)荷，如電弧爐、中頻爐、大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等，它們在運(yùn)行中不僅會產(chǎn)生大量的高次諧波，而且會使電壓波動、閃變、三相不平衡日趨嚴(yán)重。這不僅會導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，形成了對電網(wǎng)的“公害”。
在并聯(lián)電容器裝置接入母線處的諧波“污染”暫未得到根本整治之前，如果不采取必要的措施，將會產(chǎn)生一定的諧波放大。
我們在許多工礦企業(yè)中，經(jīng)常遇到這樣的情況，無功功率補(bǔ)償裝置(電容器直接補(bǔ)償)投入后，供電設(shè)備中的電器件(包括變壓器、電抗器、電容器、自動開關(guān)、接觸器、繼電器)經(jīng)常損壞，這就是諧波電流被電容器直接補(bǔ)償引起的諧波放大后而造成的。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(jì)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。由于電抗器高次諧波電流含量與電網(wǎng)諧波源狀況、阻抗參數(shù)和電容器裝置回路阻抗參數(shù)有關(guān)，因此在實(shí)際應(yīng)用中電抗率的取值是不同的。串聯(lián)電抗器絕不能與電容器組隨意組合，更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。本文著重就串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用展開分析，并提出電抗率的選擇方法。

諧波的產(chǎn)生及其主要構(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。在輸電、工業(yè)、電力電子等場合一般有以下幾種情況：
(1)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次諧波，P是一個周期內(nèi)整流形成的直流波頭數(shù)，N是自然數(shù)，三相整流Z低諧波次數(shù)是5 次。
(2)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。
(3)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。
(4)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/△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。

電抗對諧波的抑制作用
一般情況下，作為諧波源負(fù)載的無功補(bǔ)償裝置對諧波呈容性時必然引起諧波放大，必須用帶消諧的無功補(bǔ)償裝置。
L-C濾波器的諧振頻率為fn，在工頻狀態(tài)下，濾波器呈容性，無功補(bǔ)償裝置用于補(bǔ)償電網(wǎng)系統(tǒng)的感性無功功率。而對頻率為f的諧波有以下兩種情況：
當(dāng)f>fn時，濾波器呈感性，該濾波器對頻率為f的諧波起濾波作用。濾波效果取決于f和fn的接近程度；

如果f=fn濾波器呈很小的阻抗，幾乎所有的諧波量都被濾波器吸收，而不流入電網(wǎng)。

電抗率的選擇
眾所周之，電網(wǎng)電壓流入電抗器后，對基波不會有大的影響，但對諧波來說卻有較大的影響。這些非正弦波形可以用數(shù)學(xué)分析的方法分解成工頻的基波和各種倍數(shù)頻率的諧波。但對電容器來講，一般不存在偶次倍數(shù)的諧波。因此主要考慮3、5、7、9、11、13等次諧波的影響。在這些高次諧波中以5次諧波Z為顯著。
設(shè)En為n次諧波源電動勢;XB、XL分別為變壓器、電抗器的等值感抗;XC為電容器組的等值容抗;n為諧波次數(shù);In為n次諧波總電流。
顯然，In=En/nXB+(nXL-XC/n) (1)
對于一般電路來說，起主要作用的是3、5、7、11 等次諧波。在式(1)中，若使nXL-XC/n=0，
則當(dāng)n=3時，XL=0.11XC
則當(dāng)n=5時，XL=0.04XC
則當(dāng)n=5時，XL=0.02XC
從式(1)可以看出，當(dāng)nXL-XC/n>0即電容器組回路呈感性時，可使諧波電流減小，因此抑制諧波電流的電抗值應(yīng)滿足nXL-XC/n>0的條件，又考慮到電抗值應(yīng)有一定余量，工程上常取可靠系數(shù)為1.5，因此串聯(lián)電抗器的電抗值應(yīng)按下式選?。?nbsp;XL=aXC (2)
如限制5次諧波電流，則應(yīng)?。?nbsp;XL=1.5(0.04XC)=0.06XC 。則：XL/XC=0.06
式中0.06為限制5次諧波電流時，電抗器工頻額定電抗XL與電容器工頻額定容抗XC的比值，稱為電抗率，用字母K表示。即：K= XL/XC (3)
在5次諧波時，由式(3)可知，電抗率K=6%時，才能補(bǔ)償支路的5次以上諧波電抗呈感性，才能有效地抑制高次諧波，并將合閘涌流限制在5倍額定電流左右。
綜上所述，對于額定頻率為50Hz和60Hz的電力系統(tǒng)中，無功補(bǔ)償裝置在不同場合的電抗率選擇如下：
XL=0.1%～1%·XC — 不考慮諧波影響，僅需抑制合閘涌流;
XL=4.5%～6%·XC — 限制5次以上高次諧波的影響;
XL=12%～13%·XC — 限制3次以上高次諧波的影響。

電抗率選擇的一般規(guī)律
一、電容器裝置接入處的背景諧波為3次
1)3次諧波含量較小，可選擇0.1%～1%的串聯(lián)電抗器，但應(yīng)驗(yàn)算電容器裝置投入后3次諧波放大是否超過或接近國標(biāo)限值，并且有一定的裕度;
2)3次諧波含量較大，已經(jīng)超過或接近國標(biāo)限值，選擇12%或12%與4.5%～6%的串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)。
二、電容器裝置接入處的背景諧波為3次、5次
1)3次諧波含量很小， 5次諧波含量較大(包括已經(jīng)超過或接近國標(biāo)限值)，選擇4.5%～6%的串聯(lián)電抗器，忌用0.1%～1%的串聯(lián)電抗器;
2)3次諧波含量略大， 5次諧波含量較小，選擇0.1%～1%的串聯(lián)電抗器，但應(yīng)驗(yàn)算電容器裝置投入后3次諧波放大是否超過或接近國標(biāo)限值，并且有一定的裕度;
3)3次諧波含量較大，已經(jīng)超過或接近國標(biāo)限值，選擇12%或12%與4.5%～6%的串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)。
三、電容器裝置接入處的背景諧波為5次及以上
1)5次諧波含量較小，應(yīng)選擇4.5%～6%的串聯(lián)電抗器;
2)5次諧波含量較大，應(yīng)選擇4.5%的串聯(lián)電抗器;
3)對于采用0.1%～1%的串聯(lián)電抗器，要防止對5次、7次諧波的嚴(yán)重放大或諧振;對于采用4.5%～6%的串聯(lián)電抗器，要防止對3次諧波的嚴(yán)重放大或諧振。

結(jié)束語
本文分析了在電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生和構(gòu)成成分，論述了諧波對電網(wǎng)系統(tǒng)的危害。進(jìn)而介紹帶串聯(lián)電抗器的無功補(bǔ)償對電網(wǎng)諧波具有抑制作用，分析、研究其電氣性能，作出相關(guān)的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，給出了在不同場合中電抗率的選擇，在Z后提供幾點(diǎn)在工程上的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，給出電抗率選擇的一般規(guī)律。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，為節(jié)約能源，改善供電品質(zhì)，提高無功補(bǔ)償水平。在電容器組中采用串聯(lián)電抗器是一種行之有效的好辦法，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。對于已經(jīng)投運(yùn)的電容器裝置，其串聯(lián)電抗器選擇是否合理需進(jìn)一步驗(yàn)算，并組織現(xiàn)場實(shí)測，了解電網(wǎng)諧波背景的變化。要注意現(xiàn)場應(yīng)用條件，按現(xiàn)場條件與要求進(jìn)行設(shè)計(jì)才能達(dá)到預(yù)期的效果。

13年來北京領(lǐng)步始終專注于“諧波干擾危害治理”“高低壓特殊無功補(bǔ)償”兩方面進(jìn)行辛勤耕耘與技術(shù)積累，“專注成就品質(zhì)、質(zhì)量鑄就品牌”，為各類諧波治理用戶提供“24小時技術(shù)咨詢”“免費(fèi)檢測分析”“方案設(shè)計(jì)與性價比評估”，了解更多<特殊電能質(zhì)量問題診斷>，歡迎點(diǎn)擊我們的在線客服進(jìn)行咨詢，或者直接撥打全國統(tǒng)一服務(wù)熱線400-056-5258，我們期待您的來電！