调谐式无功补偿装置的选型计算

调谐式无功补偿装置的选型计算何钦(武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430023)摘要：在电网谐波污染日趋严重的今天，如何安全、有效的对电力系统进行无功补偿已经成为一个突出的问题。本文分析了配置调谐式无功补偿装置的必要性，并对其选型的计算方法进行了讨论。关键词：调谐式无功补偿装置谐波选型1.概述无功功率补偿装置在电力系统中所承担的作用是提高电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗、提高供电效率和改善供电质量等，所以无功功率补偿装置在电力配电系统中处在一个不可或缺的重要位置。电力系统进行无功补偿的传统方式为直接在母线或线路上并联电力电容器，通过合理的选择电容器的容量，这种方式可以满足电力系统对于补偿后功率因数的要求，而且这种方法电气设备数量较少，接线明了，应用相当的广泛。但是，随着科技的快速发展和人民生活水平的提高，大量非线性、换流、整流型、铁芯类的用电设备开始被使用，大到冶金化工行业、电气化铁路所用到的大型整流、换流设备，小到生产加工中经常使用到的电弧炉和生活中的一些家用电器，甚至照明灯具等，这些电气设备都会产生大量的谐波电流，并最终注入电网。谐波滤波及无功补偿已经成为绝大部分电力用户关注和需要解决的突出问题。在这种谐波污染较为严重的电网内，如果继续采用单纯的并联电容器来进行无功补偿的方式，就会存在较大的风险。原因如下：一是由于并联电容器组的容性阻抗特性，以及阻抗与频率成反比的特性，使得它容易吸收谐波电流，通过谐波电压与基波电压的峰值叠加，对谐波有着明显的放大作用，使得流经电容器的电流有效值增大，造成其温度升高，减少使用寿命，甚至永久损坏；二是，如果电容器的容性阻抗与系统中的感性阻抗相匹配时，就会容易发生串联谐振或并联谐振，使得电力系统电压及电流的畸变更加严重，轻者会降低电气设备的使用寿命和性能，重者则会导致继电保护装置误动作，影响系统的稳定运行，造成不必要的损失。本文中所讨论的调谐型无功补偿装置是指采用在电容器之前串联电抗器的方法，使该补偿回路的调谐频率低于电网中所存在的最低次谐波的频率。这样，该装置在工频时呈容性，可以改善功率因数；在谐波频率时呈感性，可以防止谐波放大，避免谐振的发生。2.适用范围在现代工业与民用建筑的电网中完全没有谐波源是不可能的，那是不是所有的场合都需要采用调谐式无功补偿装置呢？当然不是这样。是否需要配置调谐式无功补偿装置，最科学的分析方法是实地检测或者通过适当的计算机软件来模拟配电系统的运行情况，对各种运行工况下系统和电容器的谐波电流与基波电流值进行检测，如果可以满足在各种工况下都可以避免谐振的产生，同时各次谐波的含有率在规范所允许的范围内，并且电容器的工作电流在正常范围内，那么就只需安装纯电容器的无功补偿装置，否则，就应该安装调谐式无功补偿装置。这种方法在工程设计中，对于基础资料齐全的改造工程，还有一定的可取性，但是对于多数的新建工程而言，这种方法是不现实的。一是设计人员一般没有这类的计算机软件，无法完成系统的模拟运行工作；二是电力系统运行时的动态性、波动性和不确定性，使得模拟所得的监测数据不一定齐全和可靠，如果采用了错误的数据，盲目地使用了纯电容器的无功补偿装置，还会适得其反。根据施耐德公司的研究成果和工程经验，对是否应该采用调谐式无功补偿装置的计算依据进行了简化，假设变压器视在功率为nS，其所接的用电负荷中谐波源设备的视在功率为hG，当50%nhSG25%时，建议使用调谐型无功补偿装置（当nhSG15%时，可采用纯电容器的无功补偿装置；当25%nhSG15%时，可采用过谐式或者调谐式无功补偿装置；当nhSG50%时，就必须在此谐波源接入电网处采用单独的滤波装置）。这种估算方法已经被大量的使用在各类工程中，简单可靠，并且具有一定的参考价值。对于水处理行业而言，随着变频调速技术的普及使用，由变频器所产生的谐波电流对电网的影响也不可小觑。以一般的泵站为例，3台210kW潜水泵，两用一备，变频运行，变压器容量为630kVA，计算得出nhSG=630210=33.3%，符合安装调谐式无功补偿装置的条件。那么如何进行调谐式无功补偿装置中电抗器还有电容器的参数选择呢，下面本文就对其参数选型和计算方法进行阐述。3.选型计算3.1回路分析调谐式无功补偿装置回路分析如下图所示，其中，电网电压为nU，回路中无功电流为I，电抗器的阻抗为LZ，电抗器两端电压为LLZIU，电容器的阻抗为CZ，电容器两端电压为CU。由于电抗和电容的阻抗特性，电抗器的端电压与电容器的端电压方向相反。则该回路的无功电流)(33LCnRnZZUZUI----式1回路实际的无功补偿容量为LCnRnZZUZUQ22----式2电容器的实际工作电压为LnLncZIUUUU3----式3图1调谐式无功补偿回路分析由以上分析可知，调谐式无功补偿装置中的电容器与没有串联电抗器之前相比电容器的工作电压变高，电容器的设计容量变大。3.2选型方法选择调谐式无功补偿装置应首先了解以下条件：电网的额定电压，需要补偿的容量和电网内主要谐波源的谐波次数。本文主要讨论的是低压配电系统的调谐式无功补偿装置，所以电网的额定电压取0.4kV；而需要补偿的容量根据具体工程中的补偿前功率因数和补偿后要求的功率因数值而计算得来，)(21tgtgPQckvar，(式中cP为计算负荷，tg1为补偿前计算负荷功率因数的正切值，tg2为补偿后功率因数的正切值)。至于电网内的主要谐波源的谐波次数，对于水处理行业而言，主要的谐波源就是电网、变压器和变频器等，所产生的主要谐波类型有3次和5次谐波。有了以上的基础资料之后，就可以进行下一步的参数选型和计算。3.2.1电抗率的选取为了从根本上避免谐振的产生，所选择的调谐型无功补偿装置必须满足该补偿回路的调谐频率rf(CLfr21)低于电网内主要含有的最低次谐波的频率，而且调谐频率rf与电抗率K是相互关联的。电抗率K的定义是工频条件下电抗器感抗与电容器容抗的比值，即电抗率K=CLZZ=CL1=CL2=CL2)502(=22)21(50CL=2)50(rf；则有调谐频率rf=K50；同时由于调谐次数n=50rf，即K=21n。由以上公式可知，只要知道调谐频率rf或者调谐次数n均可以确定调谐式无功补偿装置的电抗率。如果电网中主要含有3次、5次及以上谐波，则调谐频率rf需低于3次谐波频率(50ZH电网中3次谐波频率为150ZH)；电网中主要含有5次、7次及以上谐波，则调谐频率rf需低于5次谐波频率(50ZH电网中5次谐波频率为250ZH)。根据《GB50227-95并联电容器装置设计规范》对于调谐式无功补偿装置的电抗率K的规定：“当并联电容器装置接入处的背景谐波为5次及以上时，宜取4.4%~6%；当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时，宜取12%”。电网中的一般情况是：5次谐波最大、7次次之、3次较小。因此在工程中，选用K=4.4%~6%的电抗器较多，国际上也通常采用。配置6%的电抗器对于抑制5次谐波的效果好，但有明显的放大3次谐波的作用，它的谐振点（204ZH）远离5次谐波的频率（250ZH），裕量较大。配置4.4％的电抗器对3次谐波放大轻微，因此在抑制5次及以上谐波，同时又兼顾减小对3次谐波的放大，在这种情况下是适宜的，但它的谐振点（235ZH）与5次谐波的频率间距较小，工程中一般采取在4.4%~6%中选取一个点，来确定电抗率，比如施耐德公司在5次谐波为主的电网环境中，标准配置就是选用电抗率为5.4%的电抗器，其谐振点在215ZH。当系统中背景谐波为3次及以上时，应配置电抗率为12％的电抗器，由于近年来不少3次谐波源的电气设备不断增多，使系统的3次谐波不断增大，尤其是楼宇、冶金行业这个现象不能忽视。总之选择串联电抗器的电抗率的原则：一定要根据系统背景谐波含量来综合考虑进而确定。3.2.2电容器的选取选择电容器的参数主要是要确定电容器的设计电压CU和设计容量CQ。由式1可得，电容器的运行电流)1(3)(33KZUZZUZUICnLCnRn----式4则电容器的运行电压CgZIU3=KUn1----式5此处计算得出电容器的运行电压gU为电容器最低的设计电压，因此调谐式无功补偿装置中电容器的设计电压CU应不小于gU，即)()()(系统额定电压运行电压设计电压ngCUUU设电容器的实际补偿容量为Q，设计容量为CQ，则有：由式2可得：回路实际补偿容量Q=RnZU2=LCnZZU2=)1(2KZUCn；即CZ=)1(2KQUn；所以电容器的设计容量CQ=CCZU2=22)1(nCUKQU----式63.2.3电抗器的选取选择电抗器的参数主要是要确定电抗器的电感值L和基波耐流值lI。已知电抗器的电抗率为K，又由于K=CLZZ=CZL，则有电抗器的电感值)1(2KQKUKZLnC----式7电抗器的基波耐流值nCnlUQKZUII3)1(3----式83.3计算实例例：已知电网电压VUn400，所需单组无功补偿容量为Q=50kvar，电网中主要含有3次、5次及以上谐波，请确定调谐式无功补偿的方案。第一步：确定电抗率K由于电网中主要含有3次、5次及以上谐波，对应的电抗率K应选择12%。第二步：选择电容器(1)由式5可得：电容器的运行电压CgZIU3=KUn1=12.01400=454.5V；故选择额定电压CU=480V的电容器；(2)由式6可得：电容器的设计容量CQ=CCZU2=22)1(nCUKQU=22400)12.01(50480=63.4kvar，取64kvar。第三步：选择电抗器(1)由式7可得：电抗器的电感值)1(2KQKUKZLnC=)12.01(5050212.04002=1.39mH；(2)由式8可得：电抗器的基波耐流值nCnlUQKZUII3)1(3=400310503=72A。由上述计算结果可知，应选择的调谐式无功补偿方案为：CU=480V，CQ=64kvar的电容器和L=1.39mH，lI=72A的电抗器。此方案的实际单组无功补偿容量为Q=50.5kvar，补偿回路自身的调谐频率rf=144.3ZH3x50ZH=150ZH，满足补偿要求。4.结语调谐式无功功率补偿装置与纯电容补偿方式相比，增加了电抗器这一元器件，使补偿回路在实现无功补偿，满足系统对功率因数要求的同时，通过改变补偿装置回路的调谐频率，使其低于电网内最低次谐波电压的谐振频率，从而从根本上避免电容器与谐波电压发生谐振的可能，对于保障电力系统的安全运行、减少由于谐波电流叠加在基波电流上所造成的线损增大和改善电网的电压质量有着重要的作用。但是需要指出的是，如果设备参数选择不当，比如调谐式无功功率补偿装置的电抗率过大或过小、电容器额定电压过小等，不但达不到避免谐振的目的，往往还会适得其反，不仅会增加谐振发生的可能性，而且还可能对电容器造成永久的损坏。所以在选择调谐式无功功率补偿装置的时候，应该对电网内的谐波源进行充分的了解，分析主要的谐波电压次数，并对所选择的设备参数（特别是电抗率和电容器的额定电压）进行仔细的计算。在进行设计工作时，如果不知道电力系统中将会接入什么类型的谐波源，或者不能确定谐波源的主要高次谐波的次数，通常较合理的作法是采用额定电压高于系统电压（例如在400V系统采用480V电容器）的电容器组。这样在将来如过接入了会产生含有率较多的高次谐波的负载时，也仅需增设电抗器而不须更换电容器组。参考文献1.《工业与民用配电设计手册》第三版[M]；北京：中国电力出版社2005.2.GB50227-95，并联电容器装置设计规范[S].作者简介：何钦(1984-)，男，湖北汉川人，大学本科学历，2005年参加工作，助理工程师，目前在武汉市政工程设计研究院有限责任公司从事电气设计工作。联系电话：134