串電抗器作用及選擇

1、串電抗器作用及選擇隨著電力電子技術(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”。 電能質(zhì)量的綜合治理應(yīng)遵循誰(shuí)污染誰(shuí)治理，多層治理、分級(jí)協(xié)調(diào)的原

2、則。在地區(qū)的配電和變電系統(tǒng)中，選擇主要電能質(zhì)量污染源和對(duì)電能質(zhì)量敏感的負(fù)荷中心設(shè)立電能質(zhì)量控制樞紐點(diǎn)，在這些點(diǎn)進(jìn)行在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、采取相應(yīng)的電能質(zhì)量改善措施顯得格外重要。 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。在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器是非常有效和可行的方法。串聯(lián)電抗器的主要作用是抑制高次諧波和限制合閘涌流1，防止諧波對(duì)電容器造成危害，避免電容器裝置的接入對(duì)電網(wǎng)諧波的過(guò)度放大和諧振發(fā)生。但是串聯(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

3、抗率的選擇方法。 2 電抗器選擇不當(dāng)?shù)暮蠊?2.1 基本情況介紹 某110kV變電所新裝兩組容量2400kvar的電容器組，由生產(chǎn)廠家提供成套無(wú)功補(bǔ)償裝置，其中配置了電抗率為6%的串聯(lián)電抗器，容量為144kvar。電容器組投入運(yùn)行之后，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該110kV變電所的10kV母線的電壓總畸變率達(dá)到4.33%，超過(guò)公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）4%的限值2，其中3次諧波的畸變率達(dá)到3.77%，超過(guò)公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）3.2%的限值2。 經(jīng)過(guò)仔細(xì)了解和分析，發(fā)現(xiàn)該110kV變電所的10kV系統(tǒng)存在大量的非線性負(fù)載。即使在電容器組不投入運(yùn)行的情況下，10kV母線的電壓總畸變率也高達(dá)4.01%，其

4、中3次諧波的畸變率高達(dá)3.48%。在如此諧波背景下，2400kvar電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器是否適合？現(xiàn)計(jì)算分析如下。2.2 電抗率的選擇分析 （1）電容器裝置側(cè)有諧波源時(shí)的電路模型及參數(shù) 在同一條母線上有非線性負(fù)荷形成的諧波電流源時(shí)（略去電阻），并聯(lián)電容器裝置的簡(jiǎn)化模型如圖1所示3。 諧波電流和并聯(lián)諧波阻抗為 式中 n為諧波次數(shù)； n為諧波源的第n次諧波電流；XS為系統(tǒng)等值基波短路電抗；XC為電容器組基波容抗；XL為串聯(lián)電抗器基波電抗。 由于諧波源為電流源，諧波電壓放大率與諧波電流放大率相等，故由式整理推導(dǎo)可得諧波電壓放大率 當(dāng)式(2)諧波阻抗的分子的數(shù)值等于零時(shí)，即從諧波源看入

5、的阻抗為零，表示電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生串聯(lián)諧振，可得電容支路的串聯(lián)諧振點(diǎn) 當(dāng)式(2)諧波阻抗的分母的數(shù)值等于零時(shí)，即從諧波源看入的阻抗為，表示電容器裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并可推導(dǎo)出電容器裝置的諧振容量QCX 4為  系統(tǒng)及元件的參數(shù)如表1所示。 （2）避免諧振分析 計(jì)算電抗率選擇6%時(shí)，發(fā)生3次、5次諧波諧振的電容器容量，將有關(guān)參數(shù)代入式(5)，得3次、5次諧波諧振電容器容量分別為 信息請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng)由此可見， 2400 kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器不會(huì)發(fā)生3次、5次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振。 （3）限制涌流分析 計(jì)算電抗率選擇6%后，

6、同一電抗率的電容器單組或追加投入時(shí)，能否有效抑制涌流，文獻(xiàn)4中所提供的 涌流峰值的標(biāo)幺值（以投入的電容器組額定電流的峰值為基準(zhǔn)值）；Q為電容器組的總?cè)萘?，Mvar；Q 0為正在投入的電容器組的總?cè)萘?，Mvar；Q ¢為所有原來(lái)已經(jīng)運(yùn)行的電容器組的總?cè)萘?，Mvar；b為電源影響系數(shù)。 已知兩套電容器裝置均為單組投切 由此可見，2400 kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器，另外一組電抗率為6%的電容器單組或追加投入時(shí)，涌流能夠得到有效限制。 （4）諧波電壓放大率分析 計(jì)算電抗率選擇6%時(shí)，將有關(guān)參數(shù)代入式(3)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，電容器組對(duì)17次諧波電壓放大率FVN 結(jié)果如表2所示。

7、由計(jì)算結(jié)果可以看出，選擇6%的串聯(lián)電抗器對(duì)3次諧波電壓放大率FVN為1.21，對(duì)5次諧波電壓放大率FVN為0.69。經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)：3次諧波電壓放大率FVN與以上理論計(jì)算值基本一致，但5次諧波電壓放大率FVN的誤差較大。文獻(xiàn)5認(rèn)為：簡(jiǎn)化的電路模型對(duì)于3次諧波電壓放大率FVN的計(jì)算有工程價(jià)值，但對(duì)5次諧波電壓放大率FVN的計(jì)算無(wú)工程價(jià)值。2400 kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器，產(chǎn)生了3次諧波放大，且超過(guò)公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）3.2%的限值。因此可以判斷在如此諧波背景下，2400kvar的電容器組配置電抗率為6%的串聯(lián)電抗器是不恰當(dāng)?shù)摹?（5）電抗率的合理選擇

8、 要做到合理地選擇電抗率必須了解該電容器接入母線處的背景諧波，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)癥下藥。并聯(lián)電容器的串聯(lián)電抗器，IEC標(biāo)準(zhǔn)按照其作用分為阻尼電抗器和調(diào)諧電抗器。阻尼電抗器的作用是限制并聯(lián)電容器組的合閘涌流，其電抗率可選擇得比較小，一般為0.1%1%；調(diào)諧電抗器的作用是抑制諧波。當(dāng)電網(wǎng)中存在的諧波不可忽視時(shí)，則應(yīng)考慮使用調(diào)諧電抗器，其電抗率可選擇得比較大，用以調(diào)節(jié)并聯(lián)電路的參數(shù)，使電容支路對(duì)于各次有威脅性諧波的最低次諧波阻抗成為感性，據(jù)式(4)可得K值 即對(duì)于諧波次數(shù)最低為5次的，K4%；對(duì)于諧波次數(shù)最低為3次的，K11.1%。 如果該變電所的2400 kvar電容器組的電抗率分別按照0.1%、1%

9、、4.5%、12%配置，試將有關(guān)參數(shù)代入式(3)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，17次諧波電壓放大率FVN的結(jié)果如表3所示。 由計(jì)算結(jié)果可以看出，選擇12%的串聯(lián)電抗器對(duì)3次諧波電壓放大率FVN僅為0.50。因此電抗率按照12%配置是值得進(jìn)一步驗(yàn)算的。 經(jīng)過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)算（諧振分析、限制涌流分析因篇幅所限略），選擇12%的串聯(lián)電抗器不會(huì)發(fā)生3次、5次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振，同時(shí)另外一組電抗率為12%的電容器單組或追加投入時(shí)，涌流能夠得到有效限制。 （6）電抗率選擇的進(jìn)一步分析 值得一提的是我國(guó)的電網(wǎng)普遍存在3次諧波，故不同電抗率所對(duì)應(yīng)的3次諧波諧振電容器容量QCX3應(yīng)該引起足夠的重視。 由式(5)計(jì)算可得，分別選擇

10、4.5%、6%和12%的串聯(lián)電抗器后，3次諧波諧振電容器容量分別為 即當(dāng)串聯(lián)電抗率選4.5%，電容器的容量達(dá)到或接近電容器裝置接入母線的短路容量的6.6%時(shí)，就會(huì)發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振；當(dāng)串聯(lián)電抗率選6%，電容器的容量達(dá)到或接近電容器裝置接入母線的短路容量的5.1%時(shí)，也會(huì)發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振；當(dāng)串聯(lián)電抗率選12%，一般不會(huì)發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振。 一般情況下，110kV變電所裝設(shè)的電容器的容量較?。?.05S d 0.06 S d），不會(huì)發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振，但會(huì)引起3次諧波的放大；而220kV變電所裝設(shè)的電容器的容量較大，完全有可能發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近

11、于諧振，因此務(wù)必引起設(shè)計(jì)人員的高度重視。 3 串聯(lián)電抗器的選擇 3.1 串聯(lián)電抗器額定端電壓 串聯(lián)電抗器的額定端電壓與串聯(lián)電抗率、電容器的額定電壓有關(guān)。該額定端電壓等于電容器的額定電壓乘以電抗率（一相中僅一個(gè)串聯(lián)段時(shí)），10kV串聯(lián)電抗器的額定端電壓的選擇見表4。 信息來(lái)自: 3.2 串聯(lián)電抗器額定容量 串聯(lián)電抗器額定容量等于電容器的額定容量乘以電抗率（單相和三相均可按此簡(jiǎn)便計(jì)算）。由此可見，串聯(lián)電抗器額定端電壓、額定容量均與電容器的額定電壓、額定容量及電抗率有關(guān)。電容器的額定電壓、額定容量本文不作詳細(xì)分析，下面著重分析串聯(lián)電抗率的選擇。 3.3 電抗率選擇的一般原則 （1）電容器裝置接入處的

12、背景諧波為3次 根據(jù)文獻(xiàn)4，當(dāng)接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，一般為12%；也可采用4.5%6%與12%兩種電抗率。設(shè)計(jì)規(guī)范說(shuō)的較含糊，實(shí)際較難執(zhí)行。筆者認(rèn)為，上述情況應(yīng)區(qū)別對(duì)待： 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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。 4 幾點(diǎn)建議 （1）新