無功補(bǔ)償中對(duì)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(shí)間：2016-06-06分享加入收藏關(guān)注：-

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(huì)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(gè)重要原因是電網(wǎng)接有沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，如電弧爐、大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等，它們?cè)谶\(yùn)行中不僅會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，而且會(huì)使電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡日趨嚴(yán)重。這不僅會(huì)導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會(huì)嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，形成了對(duì)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(huì)產(chǎn)生一定的諧波放大。 
          我們?cè)谠S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(dòng)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(duì)電網(wǎng)參數(shù)精確測(cè)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任意組合，更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。文章著重就串聯(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(hào)正負(fù)半周的不對(duì)稱所形成的，而電網(wǎng)中電流正負(fù)半周的不對(duì)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(chǎng)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(gè)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(huì)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(huì)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(duì)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(shí)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。 

諧波在無功補(bǔ)償中的危害 
          電網(wǎng)諧波與無功補(bǔ)償中并聯(lián)電容器的運(yùn)行有較大的關(guān)系，因?yàn)殡娙萜骺赡苁闺娋W(wǎng)中的諧波電流放大，有時(shí)甚至在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振，使電器設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞，破壞電網(wǎng)的正常運(yùn)行。諧波放大時(shí)，大量的諧波電流在電網(wǎng)與補(bǔ)償電容之間往復(fù)交換，使包括變壓器及電容器等電網(wǎng)上的設(shè)備出現(xiàn)過載并產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，釋放大量的熱量，加快損耗設(shè)備的同時(shí)也使電網(wǎng)正常運(yùn)行的可靠性大大降低。所以諧波放大是動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償設(shè)計(jì)中要考慮的首要問題。在供電系統(tǒng)中作為無功補(bǔ)償用的并聯(lián)電容器，對(duì)于某次諧波若與呈感性的系統(tǒng)電抗發(fā)生并聯(lián)諧振，則可能出現(xiàn)過電壓而造成危害。過大的諧波電流可能使電容器壽命縮短、鼓肚、熔絲、群爆甚至燒損。 
          電壓波形發(fā)生畸變，就意味著它的波形變成非正弦波，由于這種非正弦波是周期性的，所以可用數(shù)學(xué)分析方法的傅立葉級(jí)數(shù)表達(dá)式將它分解為基波和各種倍數(shù)頻率的高次諧波。在一般的配電網(wǎng)當(dāng)中，對(duì)諧波進(jìn)行抑制是很有必要的，實(shí)際中應(yīng)用的方法主要使用串聯(lián)電抗的無功補(bǔ)償電容組。相當(dāng)于電容串聯(lián)一個(gè)電抗，從而消除由于電路對(duì)其中的諧波呈容性而帶來的諧波振蕩及放大。 

電抗對(duì)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(duì)諧波呈容性時(shí)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(duì)頻率為f的諧波有以下兩種情況： 
         1） 當(dāng)f>fn時(shí)，濾波器呈感性，該濾波器對(duì)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；

          2）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(duì)基波不會(huì)有大的影響，但對(duì)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(duì)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(dòng)勢(shì);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(duì)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(shí)，XL=0.11XC 
          則當(dāng)n=5時(shí)，XL=0.04XC 
          則當(dāng)n=5時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，由式(3)可知，電抗率K=6%時(shí)，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(duì)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(chǎng)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 

1、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(guó)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(guó)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)。 
2、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(guó)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(guó)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(guó)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)。 
3、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; 
4、對(duì)于采用0.1%～1%的串聯(lián)電抗器，要防止對(duì)5次、7次諧波的嚴(yán)重放大或諧振;對(duì)于采用4.5%～6%的串聯(lián)電抗器，要防止對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(jiǎn)單電容器補(bǔ)償?shù)倪^流、過壓?jiǎn)栴}，也可以解決多支路無源濾波器的過載問題。對(duì)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(chǎng)實(shí)測(cè)，了解電網(wǎng)諧波背景的變化。要注意現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，按現(xiàn)場(chǎng)條件與要求進(jìn)行設(shè)計(jì)才能達(dá)到預(yù)期的效果。

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