低壓配電并聯(lián)電容器補(bǔ)償回路所串電抗器的合理選擇

一、前言在筆者所接觸的低壓配電施工圖中，發(fā)現(xiàn)施工圖中有一個(gè)共性，那就是配電變壓器低壓側(cè)母線上均接入無功補(bǔ)償電容器柜。但令人費(fèi)解的是，所串電抗器無任何規(guī)格要求，無技術(shù)參數(shù)的注明，只是在圖中畫了一個(gè)電抗器的符號(hào)而已。而所標(biāo)電容器的容量，也只是電容器銘牌容量而已，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，最大能補(bǔ)償多少無功功率，也不得而知。應(yīng)引起注意的是，電抗器與電容器不能隨意組合，它要根據(jù)所處低壓電網(wǎng)負(fù)荷情況，變壓器容量，用電設(shè)備的性質(zhì)，所產(chǎn)生諧波的種類及各次諧波含量，應(yīng)要進(jìn)行諧波測(cè)量后，才能對(duì)癥下藥，決定電抗器如何選擇。但往往是低壓配電與電容補(bǔ)償同期進(jìn)行，根本無法先進(jìn)行諧波測(cè)量，然后進(jìn)行電抗器的選擇。退一步說，即使電網(wǎng)投入運(yùn)行，進(jìn)行諧波測(cè)量，但用電設(shè)備是變動(dòng)的，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也是變化的，造成諧波的次數(shù)及大小有其隨意性，復(fù)雜性。因此正確選用電容器所用的串聯(lián)電抗器也成為疑難問題，這無疑是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不是隨便一個(gè)電抗器的符號(hào)或口頭說明要加電抗器那么簡(jiǎn)單了。不得隨意配合，否則適得其反，造成諧波放大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)諧振，危及電容器及系統(tǒng)安全，而且浪費(fèi)了投資。有鑒于此，筆者對(duì)如何正確選用電容器串聯(lián)電抗器的問題，將本人研究的一點(diǎn)心得，撰寫成文，以候教于高明。二、電力系統(tǒng)諧波分析及諧波危害電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因主要是用電設(shè)備的非線性特點(diǎn)。所謂非線性，即所施電壓與其通過的電流非線性關(guān)系。例如變壓器的勵(lì)磁回路，當(dāng)變壓器的鐵芯過飽和時(shí)，勵(lì)磁曲線是非正弦的。當(dāng)電壓為正弦波時(shí)，勵(lì)磁電流為非正弦波，即尖頂波，它含有各次諧波。非線性負(fù)載的還有各種整流裝置，電力機(jī)車的整流設(shè)備，電弧煉鋼爐，EPS，UPS及各種逆變器等。目前辦公室里電子設(shè)備很多，這里存在開關(guān)電源及整流裝置，其電流成分也包含有各次諧波，另外辦公場(chǎng)所日光燈及車間內(nèi)各種照明用的氣體放電燈，它們也是諧波電流的制造者。日光燈鐵芯鎮(zhèn)流器及過電壓運(yùn)行的電機(jī)也是諧波制造者。目前所用的配電變壓器高壓側(cè)多接成“Δ”型，這樣三次諧波因相序相同，即零序的感應(yīng)的三次諧波電流在三角形繞組內(nèi)環(huán)流，不易竄入電網(wǎng)。磁路過飽和而產(chǎn)生的諧波類似六脈動(dòng)整流回路，主要產(chǎn)生6K±1次諧波，多為5次，7次，11次等。據(jù)有關(guān)人員實(shí)測(cè)表明，電力機(jī)車及電弧爐供電系統(tǒng)3次諧波較多，而辦公樓及普通工廠車間5次與7次諧波為主。由于低壓配電不涉及電弧爐及電力機(jī)車，這樣矛盾的焦點(diǎn)集中于5次諧波治理抑制上了。諧波造成的設(shè)備過載及線路損耗增加，降低了輸電能力，高次諧波電流又引起系統(tǒng)電壓畸變，從而影響其它設(shè)備的正常工作。對(duì)于低壓電網(wǎng)的補(bǔ)償用電力電容器，危害更為嚴(yán)重。深圳某電子廠，由于低壓電網(wǎng)諧波，接入的并聯(lián)補(bǔ)償電容器，運(yùn)行不到一周，皆鼓肚損害，其接頭及投切用接觸器接線端子燒蝕熔化冒火，電氣值班人員只得采用電氣用手提滅火設(shè)備進(jìn)行滅火，然后退出運(yùn)行。電容器生產(chǎn)廠家親赴現(xiàn)場(chǎng)用諧波測(cè)試儀實(shí)測(cè)，結(jié)果證實(shí)是諧波嚴(yán)重造成，而非電容器質(zhì)量所致。但選擇電抗器電抗率時(shí)，不但要接近諧振頻率，還要使回路呈感性。這樣一來，若電網(wǎng)3次諧波突出，選電抗率K為12%-13%。若5次諧波突出，選K為4.5%-7%。若5次與3次均突出，選取電容器組分別串電抗率K為4.5%-7%及12%-13%的電抗器。至于電抗器的容量，它等于所串電容器容量乘以電抗率，即QL=KQC。一般說來，只要給出所接電容器容量及額定電壓，及要求的電抗器電抗率。至于電抗器額定絕緣電壓、容量及額定電流等參數(shù)，由電抗器制造廠自行合理地解決了，不必要求用戶提供其它要求參數(shù)。五、串入電抗器后，電容器端電壓及補(bǔ)償容量的變化由于系統(tǒng)電壓不變，而電抗器壓降又與電容器上壓降剛好相位相反，這樣必然造成電容器端電壓升高。由于電抗率是電抗器電抗值與電容器容抗值之比的百分?jǐn)?shù)，電抗器上的壓降必然為電容器上的壓降乘以電抗率了。即Uc-UL=UN(Uc,UL,UN分別為電容器，電抗器及系統(tǒng)電壓)Uc-kUc=UNUc(1-k)=UNUc=UN/(1-k)由此可見，串電抗后，電容器電壓升高非1+k倍，而是1/（1-k），這樣，串入電抗后，電容器端電壓升高，其升高倍數(shù)如表所示。電抗率K0.1%1%4.5%5%6%7%12%13%電容器電壓升高倍數(shù)1.0011.011.0471.05261.06381.0751.1361.149由于電抗器吸收電容器所產(chǎn)生的無功補(bǔ)償功率，造成電容器向電網(wǎng)無功補(bǔ)償能力減弱。由于串電抗造成電容器端電壓升高，必須采用適合此電壓的電容器，即選用較高電壓等級(jí)的電容器。這樣組合下來，實(shí)際電壓又不一定正巧與所選電容器額定電壓一級(jí)，一般都小于電容器額定電壓。由于電容器在小于額定電壓下運(yùn)行，實(shí)際補(bǔ)償容量又低于電容器銘牌所標(biāo)容量，真是一環(huán)扣一環(huán)，是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程了。為說明上述問題，現(xiàn)舉例如下：某項(xiàng)目，系統(tǒng)電壓UN=400v.每回路補(bǔ)償電容器為30Kvar，串入電抗率K=7%，求：電容器運(yùn)行時(shí)實(shí)際電壓，如何選擇電容器額定電壓及實(shí)際補(bǔ)償容量。計(jì)算步驟為：1)電容器實(shí)際承受電壓Uc=UN/(1-k)=400/(1-7%)=430v選擇電容器額定電壓為480v（選440v，450v的也能滿足要求），電抗器實(shí)際壓降為UL=430v-400v=30v，或UL=kUc=7%*430=30v。2)額定電壓480v電容器，實(shí)際承受電壓為430v，實(shí)際生產(chǎn)的無功功率為額定無功的（430/480）2=0.8025倍。自身發(fā)出的無功Q=30*0.8025=24.075（Kvar）3)電抗器吸收電容器發(fā)出的無功功率的7%4)電容器實(shí)際向電網(wǎng)發(fā)出額定功率的0.8025*（1-7%）=0.7463倍，即30*0.7463=22.39（Kvar）5)電容器串入電抗器后實(shí)際電流如上述的例子，30Kvar電容器，額定電壓480v，額定電流為IN=30/(*0.48)=36.1A.實(shí)際運(yùn)行時(shí)，承受電壓為430v。實(shí)際電流為I=IN*(430/480)=36.1*(430/480)=32.3A或者I=Q/(*0.43)=24.075/(*0.43)=32.3A這樣，選擇回路導(dǎo)體及投切元件只能按32.3A選擇，不能按系統(tǒng)電壓400V，電容器30Kvar求得。對(duì)于額定電壓400V，容量30Kvar的電容器，其電流都為I=30/(*0.4)=43.3A.通過上述事例，可以看出串電抗器并聯(lián)補(bǔ)償電容器回路，各參數(shù)要通過計(jì)算求得。到底補(bǔ)償多少，有沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，要有明確的交代。目前設(shè)計(jì)單位只要求電抗器，其它不再過問，即電氣成套廠更加隨意，為節(jié)約投資，電抗率選用電抗率寧低勿高，寧選鐵芯電抗器而不選空芯電抗器。電容器柜銘牌上的補(bǔ)償容量按各電容器銘牌容量之和，這樣一樣來和實(shí)際情況差別太遠(yuǎn)了。六、嚴(yán)防補(bǔ)償電容器對(duì)諧波放大接入母線的無功補(bǔ)償用電容器，電容電抗系統(tǒng)能與電力系統(tǒng)組成并聯(lián)諧振回路。如果某次諧波電流頻率，電容電抗會(huì)流過很大的諧振電流，可達(dá)原有電網(wǎng)諧波電流數(shù)十倍，電容器端電壓也產(chǎn)生很高過電壓，此種情況稱為諧波放大。當(dāng)系統(tǒng)存在諧波時(shí)，并聯(lián)補(bǔ)償用電容器支路串入電抗器，而系統(tǒng)若忽略電阻，則安全呈感性，可用等效電感表示。等效電路圖見圖一。圖一.等效阻抗圖圖中In為系統(tǒng)某次諧波電流，也看作由一恒流源發(fā)出，L2為系統(tǒng)等值電感，L1為電容器所串電抗器電感，C為補(bǔ)償電容的電容。流入系統(tǒng)的諧波電流為Ins，流入電容器的諧波電流為Ins，由此可得Ins=In*（jωL1+1/jωc）/(jωL1+1/jωc+jωL2)=In/﹛1-[ωL2/﹙1/ωc-ωL1﹚]﹜如果ωL2/(1/ωc-ωL1)=1時(shí)，Ins→∞即1/ωc-ωL1=ωL2時(shí)，進(jìn)入系統(tǒng)的某次諧波被放大至無窮大。L2是系統(tǒng)參數(shù)，不能人為變動(dòng)，為避免諧波被放大，所選電容器與所串電抗器參數(shù)應(yīng)合理搭配。從上式也可看出