关于电容器与电网谐波的相互影响.doc

论述电容器与电网谐波的相互影响水利水电学院 1043010984 姚舒在工业企业配电系统中, 广泛装有用于无功补偿的并联电力电容器, 以期提高用户的功率因数, 减少电网电能损耗和提高配电变压器的利用率。然而, 理论分析表明, 当电网因接有谐波源设备而存在高次谐波时, 并联电容器与电网谐波间将相互影响, 给电网和用户造成严重危害。电容器与电网谐波的相互影响包括: (1) 电网谐波危及电容器的安全运行, 如谐波电压引起电容器谐波过流等;(2) 电容器对电网谐波有一定放大作用, 使电压质量进一步下降, 危害电网其他电力用户的用电质量。对于低压用户而言, 谐波的影响表面上主要表现为配电变压器啸叫、电容器支路电器(如交流接触器、防冲击电抗器、电容器) 损坏, 由电网供电的无线电设备噪音增大等。1.谐波对电容的影响1.1并联电容器回路电能损耗加大在变电站低压母线并联补偿电容器回路中，通常串联了电抗器。电容器的模型是电阻和电容的串联，电抗器是电阻和电感的串联。根据电容电路的有功损耗功率为： （1）（1）式中的I为电容器回路中总电流的有效值，包括回路中的各次谐波电流，其值为： （2）式中为各次谐波电流。从（1）（2）式中，可以看出，电容器回路中电流波形畸变越大，各次谐波电流含量越高，电能损耗就越大。1.2 电容器组的谐波谐振在并联补偿电容器回路中，对于基波电流，由于系统的感抗正常时远远小于容抗，因而不会发生谐振，但当含有谐波分量时，系统阻抗发生变化，在一定参数下就有可能发生谐振。当变电所靠近大的谐波源，并且电路中串联了电抗器时，可能发生串联谐振；当没有串联电抗器时，只可能发生并联谐振。1.2.1 并联谐振 并联谐振是谐波电压谐振，并联谐振引起的过电压和过电流引起过负荷，将增大损耗，损坏设备，它的危害是很大的。谐振时，等效阻抗对谐波呈现极大的阻抗，公共连接点的谐波电压大幅度增大，电容器组支路的谐波电流大幅度增加。1.2.2 串联谐振 串联谐振是串联电抗器与并联电容器组产生的谐振。其谐振频率为时发生串联谐振，此时电容器支路的阻抗很小，而电容器两端的电压可能很高，并流过全部谐波电流，因此串联系谐振是电流谐振。1.3 缩短电容器的使用寿命谐波对电容器使用寿命的影响，主要表现在三个方面：电容器局部放电性能的劣变，工作电压升高和电能损耗的加大。1.3.1 电容器局部放电性能的劣变并联电容器的局部放电性能，通常用起始放电场强和局部放电熄灭场强两个参数来表征。当电容器的局部放电熄灭场强低于工作场强时，在操作过电压下发生的局部放电就可能在工作场强下不熄灭，而形成长时间的局部放电，最终使电容器损坏。当系统中存在谐波时，使电压波形发生畸变，电压波形呈现出不同程度的尖顶波，电压峰值增大，局部放电时间增长，加速电容器介质老化，从而缩短电容器的使用寿命。1.3.2 电容器工作电压升高的影响研究表明，电容器的绝缘介质工作寿命与有机绝缘材料电老化的一般规律相符，即： (3)式中：Z为绝缘介质的工作寿命；U为电容器的工作电压；为取决于介质材料与结构的指数，一般取79。由（3)可知，当电压升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2。当电网中有谐波存在时，工作电压的有效值U是各次谐波电压有效值的平方和根，如式（4）: (4)谐波升高了电容器的工作电压，从而缩短了其使用寿命。1.3.3 电能损耗的加大对电容器寿命的影响电能损耗的加大，导致电容器异常发热，升高了电容器的工作温度。由于电容器介质材料是高分子有机物，在电场和温度作用下，发生一系列的物理、化学变化，使材料逐步老化，直到完全失去介电能力。根据热老化理论，电容器的介质工作温度越高，其老化速度越快，使用寿命就越短。2.电容器对电网谐波的影响有串联电抗器的并联电容补偿装置在同一母线上，接具有非线性负荷形成的谐波电流源，是注入系统的n次谐波电流，是流过电容器的n次谐波电流。此时，谐波源的外阻抗为电力系统的感性阻抗与电容器容抗相并联的阻抗。由于电容器组和系统参数共同作用，可能出现以下几种放大现象：（1）,即/1,电容器回路n次谐波电流放大；（2）,即/1,系统对n次谐波电流放大；（3）,n次谐波电流既对电容器回路放大，又对系统放大，称为n次谐波电流的严重放大。若接入系统的电力电容器为纯电容元件，即，则可得出谐波电流的分流算式为： （7） （8）从式( 7) 和式( 8) 可以看出, 进入电容器回路的谐波电流和流入系统的谐波电流均大于谐波电流，这就是电容器对谐波电流的放大现象，较大的使电容器过载。最为严重的情况是当时，系统等值阻抗n和电容器组回路容抗构成谐振条件, 电路即发生了电流谐振， 此时,电流分流算式为 （9） （10）式中，Q=/为电场能量和磁场能量与有功功率的比值,称为电路的品质因数.这使得即使很小的高次谐波电流也会被放大放大倍数为Q ,长期在低次谐波共振条件下运行对电容器是非常不利的。由谐振条件, 谐波共振的次数为 （11）在没有接入并联电容器的情况下,由于电路中变压器、线路等设备的电容量很小,而感抗相对较大, 因此电路的自然频率和高次谐波电流频率相比要大得多谐波共振现象往往发生在千赫频率以上, 而高次谐波电流的幅值极小即使被增幅, 共振作用所造成的影响也不显著。在供电系统中常采用并联电容器进行无功补偿.在正弦系统中, 补偿效果是极其显著的但当系统中含有谐波分量时,并联电容器会使电网谐波“放大” , 甚至与系统的电感发生并联谐振 导致谐波电流严重增大, 造成电容器及电网中电气设备的严重损坏破坏电网正常工作。若在电容补偿支路串入一个空心电感元件, 则形成L C 串联支路，在供电系统中, 通常 , 则图2 所示电路谐波的近似分流公式为 （12） （13）将式( 1 2 , 1 3) 与式( 7 , 8) 比较，可以看到, 只要串联在电容支路的电抗器值选择合适, 就能抑制补偿电容器对谐波电流的放大作用, 防止电容器的过电流和过负载。在式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 中,如果当时，电容器与系统和串联电抗器发生并联谐振，其谐振次数为 （14）因为所以串联电抗愈大, 谐振频率愈低, 即串联电抗器能降低并联谐振谐波次数,可以提高供电网运行可靠性。.然而由前面分析得知, 电容支路串联电抗器后,由于谐振的缘故电容器两端电压比电网高，并联电抗器越大，电容器两端电压越高，即电抗器不能选的太大。在式( 1 2) 和式( 1 3) 中当时，在串联电抗的电容支路中,电容与电感发生串联谐振，其谐波次数为 （15）此时电容支路恰好处于对次谐波的完全滤波状态，也就是说，若电抗器参数选择合适, 此支路可以实现对电网谐波的滤波.若在选择电抗器时,使谐波频率n 比变流装置产生的最低谐波次数还低, 则对整个实际谐波来说,阻抗将呈感性，对高次谐波电流起阻尼衰减作用。电力系统中的谐波电流一般以5次、7 次较大, 11 次、13 次次之, 3 次并不严重，当取n =5 时, 则0.04. 经分析,当取=0.04 后, 3 次谐波电流被放大, 往往在=6 % 7 % , 使3 次谐波电流处于谐振状态. 电网正常运行时由于3 次谐波电流不大并不会感到问题严重,但在电设备操作时, 3 次谐波电流可能较大 且不对称程度也较大. 因此,在3 次谐波电流较大场合或在电网枢纽变电所中以配备较大的电抗器为宜, 如=12 % . 就单纯选择电网谐波滤波器而言, 所需要的电容量经计算证明小于无功补偿所需的电容容量, 但是在无功补偿装置的设计中首先应考虑它是一个无功补偿装置, 其作用主要是提高功率因数和负载端的电压质量.采用单频调谐滤波器,能将