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电力系统并联电容器运行的谐波问题田友元摘要本文对电力系统的220500kV中枢变电所和城网二次变电所的并联电容器运行中遇到的谐波问题进行了分析，并对其预防措施分别提出了一些不同的新观点。1前言近年来，关于电力系统的并联电容器运行的谐波问题已经发表了不少论文进行分析研究，并且提出了一些措施，以改善电容器装置的运行。其中如果采取不同电抗率的串联电抗器混装1，取消串联电抗器2和在电容器母线上安装滤波器等等。电容器是一种对谐波极为敏感的电气设备，其容抗值随频率的变化而变化。谐波的影响，造成电容器可能因过电流或过电压使绝缘遭受损害或使用寿命缩短。因此在设计上，电容器应留有更大的裕度，例如，其最大容许电流为额定电流的1.3倍，最高容许电压为额定电压的1.1倍，热稳定试验在1.58倍额定容量和4550的高温下进行，局部放电在2.15倍额定电压的条件下开始等等。这些指标都远远高于其它电气设备，其原因就是考虑了谐波因素的影响，只要在条件的允许范围内，电容器是允许谐波流通的。电力系统的谐波是个十分复杂的问题。只就变电所来说，谐波源有的来自厂矿用户，有的来自电网，有的来自变电所内部，有的几个方面都有。变电所带的谐波负荷不同，其谐波分量也有差异，例如整流负荷以5次谐波为最高并且比较稳定。电气化铁道、电力机车、电弧炉和大容量电焊机等负荷，则以3次谐波为主，变动频繁，而且三相不平衡。变电所的负荷潮流有变化，电压有波动，日负荷有峰谷差，因季节变化，负荷和供电方式也有变化等等，都将对变电所的谐波产生影响。新建变电所由于负荷条件和发展情况不明，对于谐波影响很难作出预测。因此对电容器装置的设计不能作出统一的规定，而需要结合实际分别处理。目前，电力系统并联电容器运行中遇到的主要谐波问题，一是发生在220kV和500kV中枢变电所，在投运电容器时发现3次谐波放大甚至出现谐振，发现这类问题的变电所很多，例如北京的房山变和聂各庄变，昆明的北郊变，贵州的鸡场变，河南的汤阳和信阳变等。另一是发生在城网变电所，这些变电所带有谐波源和负荷，因为谐波影响，东北电网曾经发生过电容器的过电流保护误动和铁道信号误动。海城铁东变因谐振，电容器投入后就跳闸。其它地区还有不少变电所的电容器因谐波被烧坏，由于谐波来源不同，准备就这两类变电所的问题分别进行讨论。2220500kV中枢变电所的谐波问题220500kV变电所的并联电容器除东北电网的220kV变电所外，大都安装在没有其他配出线的主变压器三次侧，电容器的容量很大，由数万至数十万千乏，分组很多，最多到十多组，电压有10、35或66kV几种，经过测试，普遍发现3次谐波分量大于其它次数。在投入电容器后，3次谐波放大，在投入几组电容器后，还出现3次谐波谐振现象。这类变电所的三次侧没有配出线路，其谐波源不能来自厂矿用户，只能来自电网和变电所内部。超高压电网的容量很大，通过其它电网进入主网的谐波很小，在高电压的作用下，导线周围的空气会发生游离，产生电晕现象，导线上出现放电声和紫兰色的光辉，电晕的产生伴随着高频振荡电流急剧增长，电晕电流经过绝缘子的泄漏和对地电容，由送端变压器的接地中性点返回，电晕和泄漏电流在电压波峰时最大，经过波峰逐渐消失，形成间歇性，使系统电压波形畸变，产生多次谐波，经过实测3，3次谐波占很大比例，其3次谐波电流的波峰值达到基波的40%。电晕电流的大小不但与电压高低有关，并且与空气密度或海拨高度、空气湿度、晴、雨与雾天及线路通过地区的污秽程度有关。导线本身的光滑度，直径大小及排列方式等也有影响，这些因素影响谐波分量的变化。变电所内部的谐波源主要是变压器的激磁电流，此外带有铁芯的互感器的磁饱和也有一些影响。如果外施电压是正弦波，铁芯中的磁通也是正弦的，但激磁电流则是非正弦的尖顶波，一般磁通密度的运行下，冷轧硅钢片变压器激磁电流中谐波的成份大致范围如表1：表1变压器激磁电流中的谐波成份谐波次数1357911谐波成份10.140.50.10.250.050.10.030.060.010.033次谐波最大，其次为5次谐波，其它次数都很小。激磁电流的大小与运行电压有关，运行电压增高，激磁电流也增大。如果电压升高超过铁芯的磁饱和点，激磁电流将急剧增大，其波形将严重畸变，顶端变尖，产生很高的谐波，特别是3次谐波，一些制造厂为了降低产品成本，设计采用的磁通密度很高，使变压器在接近铁芯饱和的状况下运行。输电线的电晕电流和变压器的激磁电流是中枢变电所的主要谐波源，也是为什么3次谐波突出的原因。主变压器三角结线的三次线圈不能消除3次谐波的原因是三相电压不平衡造成的三相谐波不平衡，水平排列的三相超高压输电线由于换位不完善，中间相导线的电容较边相导线电容约大5%。因而导线中间相的电压或电场强度约为边相的1.05倍，由于这个原因，中间相上的电晕发生得早，电晕过程也进行得更激烈，中间相的电晕电流比边相大10%左右，三相电压的不平衡，也导致变压器的激磁电流三相不平衡。这两种不平衡的电流，使中枢变电所发生3次谐波的干扰。在分析了中枢变电所的谐波源后，对于防止谐波危害电容器的措施提出以下意见，以供进行讨论：2.1在电容器正常运行允许的条件下，不采取预防谐波的措施电容器正常运行允许的条件包括了谐波分量在内，国内产品在GB3983.289国标中规定如下：110%的额定电压，有效值；130%的额定电流，有效值；135%的额定容量；1.2倍额定电压的工频加谐波过电压峰值。因谐波影响，总的电流、电压和容量在不超过上述规定的条件下都可以正常运行，不需要采取措施。如前所述，中枢变电所的谐波分量与电压高低有关，经过不少变电所的谐波测试结果，足以说明这一现象。表2为辽阳500kV变的谐波测试结果，当时运行电压高达549kV，谐波电压在500kV侧超过标准，3次谐波最高，当电压降至533.5kV，各次谐波已明显降低，现在负荷增长，运行电压在500kV左右，去年在大发水电期间，电压最低至482kV，在电压高出正常运行水平时，谐波才有影响，但这时电容器也不应投入运行。运行电压保持正常水平以下需投电容器时，谐波分量将下降至允许范围。在这种条件下，中枢变电所没有进行防谐的必要。 表2辽阳500kV变谐波电压分量测试数据运行电压(kV)500kV侧15.75kV侧3次谐波(%)5次谐波(%)3次谐波(%)5次谐波(%)5491.51.260.90.46533.51.250.790.720.342.2加大分组容量，减少电容器分组的组数，避开谐波的谐振点目前不少地区的中枢变电所的电容器装置单组容量小，分组多，运行中往往投运到一定组数时发生谐振。其中如房山变的180Mvar的电容器共分8组，在投入4组后发现接近3次谐波谐振点。聂各庄变的36Mvar电容器分为5组，投入4组即接近3次谐波谐振点。辽阳变的120Mvar电容器分为4组，在投入3组后也发现谐波显著增大的现象。不少220kV变电所，即昆明北郊变，河南汤阳变等等都有类似现象。电容器分组的目的是为了调压，按导则规定，正常运行方式下中枢变电所都有10%的允许电压变动范围，只要在规定的范围内，就可满足用电的需要，不需要进行很细的调整。辽阳变曾经测试，在未投入电容器二次侧电压为231kV，将120Mvar电容器全投入后上升为234.3kV，仅上升1.43%。安装的自动投切装置也没有必要使用。因此在沈阳的沙岭变和长春的合心变，电容器的单组容量都选为60Mvar，经多年运行都没有谐波干扰的问题，从文献1提供的资料可以看出，如果房山变的180Mvar电容器改为3组60Mvar；聂各庄变的36Mvar电容器改为3组12Mvar，即使仍然选用6%的电抗率，也可以避开3次谐波的谐振点。需要提出的是分组容量增大到一定时，10kV断路器不能满足要求，为此建议提高电容器的电压到35kV或更高，此外还应考虑熔断器开断故障电流的能力。2.3调整和加大分组容量，避开谐振点后，选用小电抗率的串联电抗器，抑制合闸涌流和短路故障电流在加大分组容量后，电容器单组电流将增大至数百安，如果不装串联电抗器，其合闸涌流可能对断路器触头或电容器带来损害。此外，中枢变电所的短路电流很大，电容器母线有发生短路的可能，安装串联电抗器可以限制短路故障电流。中枢变电所电容器的容抗，串联电抗器，主变压器和输电线的感抗是一个串联回路，按其等效回路的公式计算可以证明，当电抗率为13%时，无论抑制谐波或涌流的效果都较好，6%的电抗率抑制5次谐波的效果较好，可以将涌流限制到45倍额定电流值。电抗率愈低，抑制3次谐波的效果愈好，但抑制涌流的效果较差。通过分析对比，我们认为还是选低电抗率，例如0.5%为宜。因为电抗率愈高，电容器端电压增加也愈高，无论对电容器的绝缘和使用寿命都不利，电抗率如果选1213%，电容器必须另选更高电压的产品，而且成本也高，低电抗率对电容器端电压影响小，有抑制3次谐波的作用，抑制涌流的效果虽然较差，但可以将涌流限制在电容器容许范围以下，例如电抗率0.5%可使涌流限制在额定电流的14倍以下。由于上述分析，东北电网新装的中枢变电所电容器大多选用1%的干式空芯电抗器，沈阳沙岭变66kV60Mvar电容器组选用的进口干式空芯电抗器，电抗率仅0.13%。这些电容器已运行多年，情况良好。2.4不宜采用谐波滤波器如上节所述，在中枢变电所的串联等效回路中如装设滤波器，即相当于对某次谐波提供一个零阻抗，而使该次谐波电流放大，这些谐波电流通过回路的电抗，将使电压波形更加畸变。2.5不宜推广不同电抗率电抗器混装的方式通过试验研究，房山500kV变的8组电容器中3组采用电抗率12%和5组采用5%的组合方式，对抑制3次谐波取得了最佳效果1，并且为8组电容器编排了投切的顺序，这种方式存在以下问题：(a)不同的电抗率，不同的电容器和不同的操作顺序，不但给安装设计带来不便，也给运行维护人员带来麻烦。变电所电容器的容量不同，分组不同，其电抗率的组合方式和操作顺序也将分别安排，目前运行单位对此已经提出异议。(b)3组电抗率12%的电容器必须全部更换为额定电压更高的产品，这将造成人力和资金的损失，两种不同的电容器外形尺寸很少差别，还容易给设备安装和运行维修造成混乱。(c)从文献1的研究结果，将所推选的最佳方式312%+55%和原来的86%进行比较，如表3所示，从流入电容器的总电流，每组电容器过电流倍数和35kV母线的过电压倍数三项指标对比可以看出，除投运4组外，其余7种投运组数，过电流与过电压的倍数，混装方式与全装6%的结果相近，都在合格范围，并且有6种混装方式的过电流大于全装6%的方式。后者在投入3组后同时投入两组也可能避开3次谐波谐振点，而勿需将3组电容器全部更换，大动干戈。 表3房山变电所不同运行方式的过电流与过电压投运组数电抗率组合方式流入电容器的总电流(A)每组电容器过电流倍数35kV母线过电压倍数116%112%446.82481.191.1351.31.051.05226%212%904.57963.941.1491.31.051.05336%312%1390.451460.861.1771.31.051.05446%312%+15%23701929.441.5051.31.051.05556%312%+25%2513.742407.51.2771.31.051.05666%312%+35%2848.072896.51.2051.31.051.05776%312%+45%3329.2633981.2081.31.051.05886%312%+55%3838.573905.751.2191.31.051.053城网变电所的谐波问题城市电网供电的变电所，由于电压较低，没有电晕现象。虽然也有电压过高的问题，但是可以通过切除电容器或有载调压，来排除主变压器过激磁的问题，因而城网变电所的谐波源主要来自厂矿用户的谐波源负荷。这类谐波问题，我们历来主张应该从根本上治理，例如要求厂矿采用多极整流装置或滤波器，对电弧炉、大型电焊和轧钢负荷装设静补装置等，清除流入变电所的谐波。但是由于管理不善或其它原因，有的变电所仍然有谐波侵入问题，给电容器的运行带来麻烦。这类谐波源一般称为电流源，我们采取的预防措施，首先是进行测试，只要谐波分量在合格范围，就不考虑防谐问题。其中也有220/66kV的变电所，例如东北电网在抚顺铝厂出口的和平一次变安装的66kV20Mvar电容器就没有串联电抗器，鞍山红一变的66kV母线带有鞍钢的轧钢负荷，母线所带的两组66kV20Mvar电容器各装1组1%电抗率的干式空芯电抗器。这些电容器已运行多年，没有发生谐波问题，运行良好，对于已经发现因谐波影响，电容器过电流保护经常动作跳闸的电容器组，如鞍山的陶官变和双山变等，经谐波测试验证后，都已增设电抗率6%的串联电抗器，有效地解决了谐波干扰。作者认为，防谐措施应考虑以下原则：(1)以保护电容器不受损害为主，其次还应避免流入系统的谐波过大，而对变电所的其它设备和电网带来不利影响；(2)在电容器允许的过电流过电压等范围内，电容器可以吸收一部分谐波，以减少进入系统的谐波；(3)根据实测结果和综合分析来选择电抗器的电抗率。因为考虑谐波源以5次谐波为最高，并认为运行故障、部分电容器损坏而减容或电压高需要拆除部分电容器是不可避免的现实，国内外大多选择6%的电抗率，但是由于3次谐波放大问题的出现，有人主张采用4.5%的电抗率，对于4.5%的电抗率也有不同的异议4，认为抑制3次谐波的效果虽然较好，但放大5次谐波的影响更大，这些争论还没有结论。当谐波源的3次谐波显著时，采用1213%的电抗率有一定效果，但电容器端电压将升高到不能接受的程度，必须全部更换，并增加投资，不推荐这项措施。如果只是3次谐波问题，低于1%的电抗率也有效果，表4和文献4的推算结果都可说明问题。在电容器母线侧安装滤波器可以吸收谐波源输入的谐波，减少流入电容器和系统的谐波电流。但是这将增加变电所的投资，滤波器应该安装在带有谐波源的厂矿用户变电所。经过综合分析，作者对城网变电所的电容器的防谐措施提出一个新的建议，以供研究讨论。这项建议的优点是既可以限制谐波进入电容器，也可限制谐波进入系统；不论谐波的次数如何，都有效果；不论电抗率大小如何，都不会使电容器的端电压增高，从而有利于电容器的安全运行和使用寿命；此外，还简单易行，不增加设备的投资。这项建议的出发点就是将谐波电流阻挡在变电所之外，限制其侵入变电所母线。如图3所示，将现有装于电容器回路中的串联电抗器移装到带有谐波源负荷的出口侧，图4为其谐波回路的等效图。为了验证新方式的防谐效果，现在将现有结线方式(图1)和新方式在完全相同的条件下进行对比。图2为现方式的谐波等效回路图。图中谐波源的谐波电压Un为固定值，忽略配电线的电抗不计，推算出两种结线方式的各种谐波电流，假设XS为包括变压器在内的系统电抗，XL为串联电抗器的电抗，XC为电容器电抗，从图2的谐波等效回路图可以推算在n次谐波下，总的谐波电流In，流入电容器的谐波电流ICn和系统谐波电流ISn的关系式： 图1现有结线方式图2现方式谐波回路等效图图3新的结线方式图4新方式谐波回路等效图(1)(2)ISn=In-ICn(3)由图4的等效回路可以推算出在n次谐波下新结线方式的总谐波电流In，流入电容器的谐波电流ICn和系统谐波电流ISn的关系式：(4)(5)ISn=In-ICn(6)为了比较改进前后两种结线方式抑制谐波的效果，现举例进行计算。假设：XS=j10%，XC=-j400%，在谐波源的3次谐波电压U3和5次谐波电压U5作用下，电抗率k%为1、4.5、6和13时，各次谐波电流的推算结果见表4。表4谐波电流推算结果谐波次数谐波电流电抗率(%)14.56133I3I30.025U30.020U30.0207U30.0108U30.017U30.009U30.0774U30.005U3IC3IC3-0.0082U3-0.0057U3-0.0126U3-0.003U3-0.016U3-0.0026U30.044U3-0.0015U3IS3IS30.033U30.025U30.033U30.014U30.033U30.0117U30.033U30.0066U35I5I50.0033U50.0065U50.12U50.0045U50.045U50.0039U50.0256U50.0025U5IC5IC5-0.0167U5-0.0109U50.1U5-0.0075U50.025U5-0.0066U50.0056U5-0.0042U5IS5IS50.02U50.0174U50.02U50.012U50.02U50.0105U50.02U50.0068U5分析表中的数据可以看出：(1)无论进入电容器或进入系统的谐波电流，新结线方式都较现有方式小得多，例如当电抗率为6%时，IC3/IC3=6.15，IS3/IS3=2.82，IC5/IC5=3.79，IS5/IS5=1.90。(2)采用新方式，电抗率越大，各次谐波电流就越小。因为串联电抗器产生的谐波电压降，降低了母线上的谐波电压，谐波电抗值增大母线谐波电压就愈低，现有方式的电抗率对谐波抑制的效果则不一定，例如4.5%抑制IC3的效果较6%好，但抑制IC5的效果不如6%和1%，而且抑制IC3效果也不如1%。(3)新方式因为使母线谐波电压降低，从而使流入系统的谐波电流减少，现方式的串联电抗器则不能发挥作用。以上对比，说明新方式优于现方式。从图3看出，电容器的端电压不受电抗器影响，改善了电容器的运行条件，