無(wú)功補(bǔ)償電抗率選7%還是14%，電抗率是越高越好么？

1.背景

并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置由于容量組合靈活、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便、投資省等原因而廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)。作為無(wú)功電力的主要電源，對(duì)于電力系統(tǒng)調(diào)相調(diào)壓、穩(wěn)定運(yùn)行、改善電能質(zhì)量和降損節(jié)能具有重要作用。隨著電力事業(yè)的迅速發(fā)展，電容裝置安裝投運(yùn)容量亦迅速增長(zhǎng)。同時(shí)隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，帶整流器的設(shè)備如變頻調(diào)速裝置、UPS電源裝置，以及軟起動(dòng)器、新型節(jié)能電光源等產(chǎn)生高次諧波電流的電氣設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越多，給電網(wǎng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染，導(dǎo)致一系列的設(shè)備問(wèn)題。如電動(dòng)機(jī)振動(dòng)、發(fā)熱，變壓器產(chǎn)生附加損耗，使容性回路過(guò)電流，干擾通訊，電子設(shè)備誤觸發(fā)等等。因此，對(duì)諧波的污染須予以重視。抑制諧波的措施很多，常見(jiàn)技術(shù)措施如改變變壓器的接線方式；加裝濾波裝置；加裝靜態(tài)(動(dòng)態(tài))無(wú)功補(bǔ)償裝置；在電容回路加裝串聯(lián)電抗器等等。

2.諧波對(duì)補(bǔ)償系統(tǒng)的影響

在無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中，電網(wǎng)以感抗為主，電容器回路以容抗為主。在工頻條件下，并聯(lián)電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大很多，補(bǔ)償電容器對(duì)電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。在有背景諧波的系統(tǒng)中。非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，引起電壓及電流波形畸變。影響電力電容器的正常運(yùn)行。

2.1造成電容器過(guò)電流諧波分流原理圖如圖1所示：

圖1諧波分流示意圖

n次諧波下變壓器阻抗：XS(n)=2πf(n)L(1)n次諧波下電容器阻抗：XC(n)=1／2πf(n)L(2)

存在高次諧波時(shí)，由于f(n)的增大，從而導(dǎo)致XS(n)增大及XC(n)減少，從而導(dǎo)致諧波電流大量涌入電容器。假設(shè)電容器工作運(yùn)行在滿載電流，若加上諧波電流后，電容器運(yùn)行電流大于1.3倍的額定電流，電容器將出現(xiàn)故障。

2.2與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振當(dāng)大量的非線性負(fù)荷掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，將在電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的電壓畸變和電流畸變。此時(shí)的諧波源相當(dāng)于一個(gè)很大的電流源，其產(chǎn)生的諧波電流加在系統(tǒng)感抗和電容器的容抗之間，形成并聯(lián)回路如圖2所示。

圖2并聯(lián)諧振原理圖

從圖中可以看出諧波電流一部分流經(jīng)XS(n)，一部分流經(jīng)XC(n)，回路阻抗為:

當(dāng)n為某次諧波時(shí)，電網(wǎng)感抗等于電容器容抗XC(n)時(shí)，形成并聯(lián)諧振，此時(shí)并聯(lián)回路總阻抗等于無(wú)窮大。諧波電流流經(jīng)阻抗無(wú)限大的回路時(shí)。將產(chǎn)生無(wú)限大的諧波電壓，無(wú)限大的諧波電壓將在電網(wǎng)和電容器間產(chǎn)生大電流，造成電容器故障。

3.串聯(lián)電抗器對(duì)諧波的抑制

電氣設(shè)計(jì)中多采用在無(wú)功補(bǔ)償電容器回路串聯(lián)電抗器來(lái)抑制諧波。諧波源從電力系統(tǒng)中吸收的畸變電流可分解為基波分量和諧波分量，其諧波分量與基波分量和供電網(wǎng)的阻抗無(wú)關(guān)，所以可以將諧波看作恒流源。電力系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路和諧波等效電路如圖3、4所示：

圖中In為諧波用電設(shè)備，XS為系統(tǒng)基波阻抗，XL為串聯(lián)電抗器基波阻抗，XC為電容器基波阻抗，在n次諧波條件下諧波阻抗分別為：XS(n)=nXs；XL(n)=nXL；XC(n)=XC/n。

從等效電路阻抗圖4可得，流入供電系統(tǒng)的諧波電流I為：

流入并補(bǔ)裝置的諧波電流ICn為：

nXS為系統(tǒng)諧波阻抗與系統(tǒng)大、小運(yùn)行方式的短路容量有關(guān)。根據(jù)式(4)、(5)可以看出關(guān)鍵在于XL與XC的取值，現(xiàn)就典型情況討論如下(見(jiàn)表1)。

由表1可知。無(wú)功補(bǔ)償回路串聯(lián)電抗器要實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的抑制，須使回路電抗對(duì)諧波源產(chǎn)生的低次諧波電呈電感性，即滿足:

n為主要諧波的低次數(shù)，從上述討論可知，對(duì)同一系統(tǒng)，由于K值不同，其運(yùn)行狀況截然不同，因此正確選擇電抗器電抗率K值是十分重要的。

4.電抗率的選擇

在《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50227-2017中指出了串聯(lián)電抗器電抗率的配置標(biāo)準(zhǔn)：“用于抑制諧波時(shí)，電抗率應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測(cè)量值選擇。當(dāng)諧波為5次及以上時(shí)，電抗率宜取5.0％；當(dāng)諧波為3次及以上時(shí)，電抗率宜取12.0％，亦可采用5.0％與12.0％兩種電抗率混裝方式?！?/span>

因此在選擇并補(bǔ)裝置串聯(lián)電抗器電抗值參數(shù)時(shí)，一定首先研究一下，供電系統(tǒng)中具有什么樣的主要諧波次數(shù)范圍，然后確定其電抗值的百分比，要避開(kāi)可能出現(xiàn)的諧波放大區(qū)域。

由式(6)可得：

式中ω為基波角速度,ω=2πf=100π

此時(shí)。實(shí)際調(diào)諧頻率為：

由式(7)可知，如系統(tǒng)背景諧波以5次諧波為主，應(yīng)串5％或6％電抗器，諧振點(diǎn)為224Hz或204Hz(可避免產(chǎn)生大于5次諧波250Hz的諧振)；如背景諧波以4次諧波為主，應(yīng)串7％或8％的電抗器．諧振點(diǎn)為189Hz或177Hz(可避免產(chǎn)生大于4次諧波200Hz的諧振)；如系統(tǒng)背景諧波以3次諧波為主，應(yīng)串12％或13％電抗器。諧振點(diǎn)為144Hz或139Hz(可避免產(chǎn)生大于3次諧波150Hz的諧振)。

5.串聯(lián)電抗器后需注意的問(wèn)題

串聯(lián)電抗器后會(huì)帶來(lái)些新的問(wèn)題，如果不注意，同樣會(huì)對(duì)電容器的使用造成危害。

5.1電容器額定電壓選擇

在選擇電容器額定電壓時(shí)要考慮電容器組投入運(yùn)行后的預(yù)期母線運(yùn)行電壓。為了使電容器的額定電壓選擇合理，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行的目的，在分析電容器預(yù)期的運(yùn)行電壓時(shí)，應(yīng)考慮下面幾種情況： （1）并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)后引起的電網(wǎng)電壓升高； （2）諧波引起的電網(wǎng)電壓升高； （3）裝設(shè)電抗器引起的電容器端子電壓升高； （4）相間和串聯(lián)段間存在的容差，將形成電壓分配不均，使部分電容器承受的電壓升高；   （5） 輕負(fù)荷引起的電網(wǎng)電壓升高。

故綜合考慮后電容器額定電壓的選取按下式確定：

其中，UCN為單臺(tái)電容器額定電壓，USN為接入點(diǎn)系統(tǒng)電壓，S為電容器組每相的串聯(lián)段數(shù)，K為電抗率。以低壓400V系統(tǒng)，串聯(lián)6％電抗率的電抗器為例，計(jì)算電容器額定電壓Uc=446.8V，即電容器的額定電壓應(yīng)考慮按450V以上才是可靠的。

5.2電容器補(bǔ)償容量選擇

串聯(lián)相應(yīng)電抗器以及確定補(bǔ)償電容器額定電壓后，安裝容量與實(shí)際輸出容量是不同的，兩者關(guān)系可按下式計(jì)算：

式中Q1為電容器輸出容量，Q2為電容器安裝容量，U2為電容器運(yùn)行電壓，U1為電容器額定電壓，K為電抗率?？梢?jiàn)，若單純提高電容器額定電壓。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，低于額定電壓，會(huì)出現(xiàn)無(wú)功容量虧損，造成無(wú)功補(bǔ)償?shù)牟蛔?。所以在選擇補(bǔ)償電容容量時(shí)，應(yīng)考慮串聯(lián)電抗器造成的電容器輸出容量的變化．并應(yīng)留有部分裕量。

5.3諧波放大現(xiàn)象

由式(6)可得，如串聯(lián)電抗器電抗率為6％，則并補(bǔ)回路的抑制諧波的低次數(shù)為：

即6％串聯(lián)電抗器抑制5次及以上次數(shù)的諧波。而對(duì)3次及以上次數(shù)的諧波電流的放大程度非常嚴(yán)重，從而導(dǎo)致電容器組損壞。因此經(jīng)過(guò)大量運(yùn)行及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，國(guó)家規(guī)定。需抑制5次及以上次數(shù)的諧波，同時(shí)避免對(duì)3次以上諧波的放大，電抗率可選為4.5％。另外，為了解決3次諧波放大問(wèn)題，有的變電站的電容器組并非每組都串聯(lián)6％電抗器，而是有幾組串6％電抗器，另外幾組串12％或13％電抗器。針對(duì)某種背景諧波，選擇串聯(lián)電抗率時(shí)，首先要研究一下，供電系統(tǒng)中具有什么樣的主要諧波次數(shù)范圍，然后確定其電抗值的百分比，避免發(fā)生并聯(lián)、串聯(lián)諧振，以及諧波放大現(xiàn)象。 

6.結(jié)束語(yǔ)

電容無(wú)功補(bǔ)償是提高系統(tǒng)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)無(wú)功損耗的重要手段，由于電網(wǎng)都存在不同程度的諧波，因此無(wú)論何時(shí)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，均不能拋開(kāi)諧波問(wèn)題，否則不僅危及電容器的使用安全，更危及電網(wǎng)系統(tǒng)的使用安全。串聯(lián)電抗器是無(wú)功補(bǔ)償電容器組的重要組成部分。電抗率的選擇對(duì)并聯(lián)電容器的運(yùn)行及對(duì)系統(tǒng)諧波的抑制有很大的影響。因此在串聯(lián)電抗器時(shí)，須對(duì)系統(tǒng)諧波進(jìn)行測(cè)試，選擇正確的電抗率，同時(shí)電容器的額定電壓和安裝容量要作相應(yīng)的提高。