串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择

串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择 摘要 串联电抗器是高压并联电容器装置的重要组成部分 其主要作用是抑制谐波和限制 涌流 因此 在并联电容器的回路中串联电抗器是非常必要的 电抗率是串联电抗器的重 要参数 电抗率的大小直接影响着它的作用 文章着重就串联电抗器抑制谐波的作用展开 分析 并提出电抗率的选择方法 关键词 串联电抗器 谐波抑制 电抗率选择 1 前言前言 随着电力电子技术的广泛应用与发展 供电系统中增加了大量的非线性负载 如低压 小容量家用电器和高压大容量的工业用交 直流变换装置 特别是静止变流器的采用 由 于它是以开关方式工作的 会引起电网电流 电压波形发生畸变 从而引起电网的谐波 污 染 产生电网谐波 污染 的另一个重要原因是电网接有冲击性 波动性负荷 如电弧炉 大型轧钢机 电力机车等 它们在运行中不仅会产生大量的高次谐波 而且会使电压波动 闪变 三相不平衡日趋严重 这不仅会导致供用电设备本身的安全性降低 而且会严重削 弱和干扰电网的经济运行 形成了对电网的 公害 电能质量的综合治理应遵循谁污染谁治理 多层治理 分级协调的原则 在地区的配 电和变电系统中 选择主要电能质量污染源和对电能质量敏感的负荷中心设立电能质量控 制枢纽点 在这些点进行在线电能质量监测 采取相应的电能质量改善措施显得格外重要 在并联电容器装置接入母线处的谐波 污染 暂未得到根本整治之前 如果不采取必要 的措施 将会产生一定的谐波放大 在并联电容器的回路中串联电抗器是非常有效和可行 的方法 串联电抗器的主要作用是抑制高次谐波和限制合闸涌流 1 防止谐波对电容器造 成危害 避免电容器装置的接入对电网谐波的过度放大和谐振发生 但是串联电抗器绝不 能与电容器组任意组合 更不能不考虑电容器组接入母线处的谐波背景 文章着重就串联 电抗器抑制谐波的作用展开分析 并提出电抗率的选择方法 2 电抗器选择不当的后果电抗器选择不当的后果 2 1 基本情况介绍 某 110kV 变电所新装两组容量 2400kvar 的电容器组 由生产厂家提供成套无功补偿 装置 其中配置了电抗率为 6 的串联电抗器 容量为 144kvar 电容器组投入运行之后 经过实测发现 该 110kV 变电所的 10kV 母线的电压总畸变率达到 4 33 超过公用电网 谐波电压 相电压 4 的限值 2 其中 3 次谐波的畸变率达到 3 77 超过公用电网谐波 电压 相电压 3 2 的限值 2 经过仔细了解和分析 发现该 110kV 变电所的 10kV 系统存在大量的非线性负载 即使在电容器组不投入运行的情况下 10kV 母线的电压总畸变率也高达 4 01 其中 3 次谐波的畸变率高达 3 48 在如此谐波背景下 2400kvar 电容器组配置电抗率为 6 的 串联电抗器是否适合 现计算分析如下 2 2 电抗率的选择分析 1 电容器装置侧有谐波源时的电路模型及参数 在同一条母线上有非线性负荷形成的谐波电流源时 略去电阻 并联电容器装置的 简化模型如图 1 所示 3 谐波电流和并联谐波阻抗为 式中 n 为谐波次数 n为谐波源的第 n 次谐波电流 XS为系统等值基波短路电抗 XC为电容器组基波容抗 XL为串联电抗器基波电抗 由于谐波源为电流源 谐波电压放大率与谐波电流放大率相等 故由式 整理推导可 得谐波电压放大率 先推 导出公式 5 比较合适 当式 2 谐波阻抗的分子的数值等于零时 即从谐波源看入的阻抗为零 表示电容器装置与 电网在第 n 次谐波发生串联谐振 可得电容支路的串联谐振点 当式 2 谐波阻抗的分母的数值等于零时 即从谐波源看入的阻抗为 表示电容器装置 与电网在第 n 次谐波发生并联谐振 并可推导出电容器装置的谐振容量 QCX 4 为 系统及元件的参数如表 1 所示 2 避免谐振分析 计算电抗率选择 6 时 发生 3 次 5 次谐波谐振的电容器容量 将有关参数代入式 5 得 3 次 5 次谐波谐振电容器容量分别为 由此可见 2400 kvar 的电容器组配置电抗率为 6 的串联电抗器不会发生 3 次 5 次谐 波并联谐振或接近于谐振 3 限制涌流分析 计算电抗率选择 6 后 同一电抗率的电容器单组或追加投入时 能否有效抑制涌流 文献 4 中所提供的 涌流峰值的标幺值 以投入的电容器组额定电流的峰值为基准值 Q 为电容器组的总 容量 Mvar Q 0为正在投入的电容器组的总容量 Mvar Q 为所有原来已经运行的电 容器组的总容量 Mvar b 为电源影响系数 已知两套电容器装置均为单组投切 由此可见 2400 kvar 的电容器组配置电抗率为 6 的串联电抗器 另外一组电抗率 为 6 的电容器单组或追加投入时 涌流能够得到有效限制 4 谐波电压放大率分析 计算电抗率选择 6 时 将有关参数代入式 3 经过计算 电容器组对 1 7 次谐波 电压放大率 FVN 结果如表 2 所示 由计算结果可以看出 选择 6 的串联电抗器对 3 次谐波电压放大率 FVN为 1 21 对 5 次谐波电压放大率 FVN为 0 69 经过与现场谐波实测数据比较发现 3 次谐波电压放大率 FVN与以上理论计算值基本一致 但 5 次谐波电压放大率 FVN的误差较大 文献 5 认为 简化的电路模型对于 3 次谐波电压放大率 FVN的计算有工程价值 但对 5 次谐波电压放大 率 FVN的计算无工程价值 2400 kvar 的电容器组配置电抗率为 6 的串联电抗器 产生了 3 次谐波放大 且超过公用电网谐波电压 相电压 3 2 的限值 2 因此可以判断在如此 谐波背景下 2400kvar 的电容器组配置电抗率为 6 的串联电抗器是不恰当的 5 电抗率的合理选择 要做到合理地选择电抗率必须了解该电容器接入母线处的背景谐波 根据实测结果对 症下药 并联电容器的串联电抗器 IEC 标准按照其作用分为阻尼电抗器和调谐电抗器 阻尼电抗器的作用是限制并联电容器组的合闸涌流 其电抗率可选择得比较小 一般为 0 1 1 调谐电抗器的作用是抑制谐波 当电网中存在的谐波不可忽视时 则应考虑 使用调谐电抗器 其电抗率可选择得比较大 用以调节并联电路的参数 使电容支路对于 各次有威胁性谐波的最低次谐波阻抗成为感性 据式 4 可得 K 值 即对于谐波次数最低为 5 次的 K 4 对于谐波次数最低为 3 次的 K 11 1 如果该变电所的 2400 kvar 电容器组的电抗率分别按照 0 1 1 4 5 12 配 置 试将有关参数代入式 3 经过计算 1 7 次谐波电压放大率 FVN的结果如表 3 所示 由计算结果可以看出 选择 12 的串联电抗器对 3 次谐波电压放大率 FVN仅为 0 50 因此电抗率按照 12 配置是值得进一步验算的 经过进一步验算 谐振分析 限制涌流分析因篇幅所限略 选择 12 的串联电抗 器不会发生 3 次 5 次谐波并联谐振或接近于谐振 同时另外一组电抗率为 12 的电容器 单组或追加投入时 涌流能够得到有效限制 6 电抗率选择的进一步分析 值得一提的是我国的电网普遍存在 3 次谐波 故不同电抗率所对应的 3 次谐波谐振 电容器容量 QCX3应该引起足够的重视 由式 5 计算可得 分别选择 4 5 6 和 12 的串联电抗器后 3 次谐波谐振电容 器容量分别为 即当串联电抗率选 4 5 电容器的容量达到或接近电容器装置接入母线的短路容量的 6 6 时 就会发生 3 次谐波并联谐振或接近于谐振 当串联电抗率选 6 电容器的容量 达到或接近电容器装置接入母线的短路容量的 5 1 时 也会发生 3 次谐波并联谐振或接 近于谐振 当串联电抗率选 12 一般不会发生 3 次谐波并联谐振 一般情况下 110kV 变电所装设的电容器的容量较小 0 05S d 0 06 S d 不会 发生 3 次谐波并联谐振或接近于谐振 但会引起 3 次谐波的放大 而 220kV 变电所装设的 电容器的容量较大 完全有可能发生 3 次谐波并联谐振或接近于谐振 因此务必引起设计 人员的高度重视 3 串联电抗器的选择串联电抗器的选择 3 1 串联电抗器额定端电压 串联电抗器的额定端电压与串联电抗率 电容器的额定电压有关 该额定端电压等于 电容器的额定电压乘以电抗率 一相中仅一个串联段时 10kV 串联电抗器的额定端电压 的选择见表 4 3 2 串联电抗器额定容量 串联电抗器额定容量等于电容器的额定容量乘以电抗率 单相和三相均可按此简便计 算 由此可见 串联电抗器额定端电压 额定容量均与电容器的额定电压 额定容量及电 抗率有关 电容器的额定电压 额定容量本文不作详细分析 下面着重分析串联电抗率的 选择 3 3 电抗率选择的一般原则 1 电容器装置接入处的背景谐波为 3 次 根据文献 4 当接入电网处的背景谐波为 3 次及以上时 一般为 12 也可采用 4 5 6 与 12 两种电抗率 设计规范说的较含糊 实际较难执行 笔者认为 上述情 况应区别对待 1 3 次谐波含量较小 可选择 0 1 1 的串联电抗器 但应验算电容器装置投入 后 3 次谐波放大是否超过或接近国标限值 并且有一定的裕度 2 3 次谐波含量较大 已经超过或接近国标限值 选择 12 或 12 与 4 5 6 的 串联电抗器混合装设 2 电容器装置接入处的背景谐波为 3 次 5 次 1 3 次谐波含量很小 5 次谐波含量较大 包括已经超过或接近国标限值 选择 4 5 6 的串联电抗器 忌用 0 1 1 的串联电抗器 2 3 次谐波含量略大 5 次谐波含量较小 选择 0 1 1 的串联电抗器 但应验 算电容器装置投入后 3 次谐波放大是否超过或接近国标限值 并且有一定的裕度 3 3 次谐波含量较大 已经超过或接近国标限值 选择 12 或 12 与 4 5 6 的 串联电抗器混合装设 3 电容器装置接入处的背景谐波为 5 次及以上 1 5 次谐波含量较小 应选择 4 5 6 的串联电抗器 2 5 次谐波含量较大 应选择 4 5 的串联电抗器 4 对于采用 0 1 1 的串联电抗器 要防止对 5 次 7 次谐波的严重放大或谐 振 对于采用 4 5 6 的串联电抗器 要防止对 3 次谐波的严重放大或谐振 4 几点建议几点建议 1 新建变电所的电容器装置中串联电抗器的选择必须慎重 不能与电容器任意组 合 更不能不考虑电容器装置接入处的谐波背景 2 对于已经投运的电容器装置 其串联电抗器选择是否合理需进一步验算 并组 织现场实测 了解电网谐波背景的变化 对于电抗率选择合理的电容器装置不得随意增大 或减小电容器组的容量 对于电抗率选择不合理的电容器装置必须更换匹配的串联电抗器 3 电能质量的综合治理是系统工程 在并联电容器回路中串联电抗器仅是抑制谐 波的治标之举 要真正做到标本兼治必须遵循谁污染谁治理 多层治理分级协调的原则 变频器和电动机之间的连线很长时 电线间的分布电容会产生较大的高频电流 可能造成 变频器过电流调闸 漏电流增加 电流显示精度变差等 因此 3 7KW 以下的电动机连线 不要超过 50m 3 7 以上不要超过 100m 否则 最好加装输出电抗器 另外 变频器和电动机之间有热继电器时 尤其是 400V 系列的话 即使连接线小于 50m 也可能发生热继电器的误动作 此时请使用输出电抗器 关于变频器电抗器的选择问题 1 额定交流电流的选择 额定交流电流是从发热方面设计电抗器的长期工作电流 同时应该考虑足够的高次谐 波分量 即输出电抗器实际流过的电流是变频器电机负载的输出电流 2 电压降 电压降是指 50HZ 时 对应实际额定电流时电抗器线圈两端的实际电压降 通常选择 电压降在 4V 8V 左右 3 电感量的选择 电抗器的额定电感量也是一个重要的参数 若电感量选择不合适 会直接影响额定电 流下的电压降的变化 从而引起故障 而电感量的大小取决于电抗器铁芯的截面积和线圈 的匝数与气隙的调整 输出电抗器电感量的选择是根据在额定频率范围内的电缆长度来确定 然后再根据电 动机的实际额定电流来选择相应电感量要求下的铁芯截面积和导线截面积 才能确定实际 电压降 对应额定电流的电感量与长度 电缆长度 额定输出电流 电感量 300 米 100A 46 H 200A 23 H 250A 16 H 300A 13 H 600 米 100A 92