10谐波电流对无功补偿并联电容器的影响

1谐波电流对无功补偿并联电容器的影响无论是工业用电设备，还是民用建筑的用电设备，大多数都是感性负载，这就造成了供电系统的运行功率因数小于1，使变压器和配电线路中有大量的无功电流损耗。为了减少电网运行中的无功损耗，延长变压器的寿命，这就需要在配电系统中接入无功补偿并联电容器装置。另外，在电网中存在一定的背景谐波，而低压配电系统中，又有许多非线性负载，也会产生一定的谐波电流，这些谐波电流会对并联电容器产生一定的影响。1．谐波的产生及其影响1．1谐波电流的产生在工业和民用建筑电气设备中，有许多非线性负载，这些非线性负载能产生各次的高次谐波，被称为谐波电流源，工业用电系统中，大多数为三相负载，其三相整流装置所产生的特征谐波主要是5次及5次以上的高次谐波，而在民用建筑电气设备中，多数为单相负载。这些单相整流装置产生的特征谐波主要是3次及3次以上的特征谐波：另外由于变压器磁化曲线的非线性，其励磁电流也含有高次谐波分量，其主要是3次谐波和5次谐波。供电系统的不平衡也会产生非特征谐波，由可控硅装置所产生的特征谐波，可由下列公式计算：--------P一整流装置的输出电流波形的脉动数。各次谐波的电流值为：---------而在高次谐波中又分为正序谐波，负序和零序谐波。其中：---------1．2谐波电流的危害众所周知，谐波电流会使输电损耗变大，增加变压器的损耗，使电动机过热和运行不稳定，影响计算机和通讯设备的正常运行，造成继电保护误动作等危害。现在我们主要讨论，在民用建筑电气设备中的非线性负载所产生的高次谐波电流对配电导线和无功补偿并联电容器的影响。民用建筑电气设备中单相非线性负载主要有：UPS装置、单相变频空调、影剧院的可控硅调光装置、气体放电灯、电视、微波炉等。民用建筑电气设备三相非线性负载主要有：变频空调、变频调速风机和水泵、调速电梯、软启动设备等。上述的谐波电流源会污染电网，并对用电设备造成危害。首先我们讨论在民用建筑电气设备中的非线性负载所产生的高次谐波电流对配电导线的影响。对于民用建筑电气设备而言，3次谐波及其他零序谐波所产生的影响是不容忽视的，因为3次谐波是零序谐波，所以各相的3次谐波电流在中性线(N线)上的相位是相同的，因而各相的3次谐波电流及其他零序谐波电流在中性线(N线)上是相互叠加的。这种情况往往使中性线(N线)电流大于相线电流，所以在《民用建筑电气设计规范》JGJ／T16-92第8．4．11条中规定：采用可控硅调光的三相四线或二相三线配电线路N线或PEN线的导线截面不应小于相线导线截面的两倍。接着我们讨论在民用建筑电气设备中的非线性负载所产生的高次谐波电流对无功补偿并联电容器的影响。各次谐波与正弦波的基波合成结果就是一个非正弦波，这就是通常所说的畸变波形。这些畸变波形对并联电容器的影响很大，当电容器的端电压为非正弦波时，会在电容器介质中产生附加的有功损耗，就产生了额外发热，使电容器温度升高。电压波形的畸变还会加速电容器介质的老化；另外谐波电流流入并联电容器，会造成电容器过负荷，甚2至烧毁并联电容器。2．谐波的放大现象在配电系统中常常会出现这种情况，当并联电容器投入运行时，会使并联电容器回路中流入的谐波电流大于非线性负载所产生的谐波电流，这就是所谓的谐波放大现象。为什么会产生这种谐波放大现象呢?因为非线性负载和并联电容器是并联于母线上，由非线性负载所产生的谐波电流会流向电网和并联电容器。而电容器的容抗和系统的感抗是和频率有关的，在某个频率下会产生并联谐振，也就形成了对某次谐波电流的放大。现在我们用供电系统与并联电容器的简化电路来进行分析，见图1。(简化电路的前提是：线性负载的阻抗比系统阻抗大很多，因此线性负载支路的分流很少，为了简化起见在简化电路中忽略了线性负载支路。)现在以3次谐波电流为例进行分析，由图1可知：--------由此可知I3s和I3c这两个电流中至少有一个电流是大于I3的，也可能都大于I3，这就是3次谐波电流被放大的原因。关于其他高次谐波电流被放大的原因也可以此类推。由(5)(6)式分析可知，构成3次谐波谐振的条件是：----------此时由谐波电流源产生的3次谐波被放大后流向电网和并联电容器，既对电网造成污染，也会使并联电容器过负荷，甚至烧毁，这是绝对不允许的。3．抑制并联电容器回路的谐波电流从前面的分析可知谐波电流通过并联电容器时会使其过负荷，甚至烧毁并联电容器，为了防止这种现象的发生，可以采用以下三种方式：：lc减少使用或不使用产生谐波的电气设备；：lc改变电网的参数；木在并联电容器支路中串联一个电抗器。上述三种方法中只有第三种是切实可行的，也就是在并联电容器支路中串联电抗器，用来抑制流向并联电容器中的谐波电流。现在我们用图2来分析串联电抗器之后的情况。警现在还是以3次谐波电流为例进行分析，由图2可知：---------式中：I3一非线性负载产生的3次谐波电流；I3流向系统的3次谐波电流；InI3c．_流向并联电容器回路的3次谐波电流。---------式中：Xc．-并联电容器的基波电抗；X系统的基波电抗。由(3)(4)式可知流向并联电容器支路的3次谐波电流为：---------由图3中可知当谐波电流频率高于f0时，并联电容器支路总阻抗3XL-(Xc／3)0，此时支路呈感性。因为I3电流是在两个感性支路间分配，所以I3C和I3S均小于I3，这就是有效防止了3次谐波被放大。--------4．串联电抗器的参数选择4．1串联电抗器的电抗率计算电抗率就是串联电抗器的感抗与并联电器的容抗之比，用百分数表示。在无功补偿并联电容器回路中串联一组电抗器，其感抗值的选择应使在可能产生的各次谐波下均使电容器回路中的总阻抗为感性，而不是容性，这就从根本上消除了产生谐波的可能。串联电抗器感抗的计算如下：-----式中：XL——串联电抗器的工频感抗(Q)；3n——可能产生的最低次谐波次数：K——可靠系数(一般取1．2～1．5)：Xc——为补偿并联电容器的工频容抗(Q)。抑制5次谐波时，n：5(三相全控整流装置产生的最低次特征谐波)，则：XL=KXc／n(1．2～1．5)Xc／25：(0．048~0．06)Xc注：在《并联电容器装置设计规范》GB50227—95中推荐：抑制5次谐波的串联电抗器的电抗率为0．06Xc。抑制3次谐波时，n：3(单相可控硅整流装置产生的最低次特征谐波)，则：XL=KXc／n：(1．2～1．5)Xc／9=(0．133—0．166)Xc注：在《并联电容器装置设计规范》GB50227—95中推荐：抑制3次谐波的串联电抗器电抗率为0．12Xc。为了抑制3次谐波串联12％Xc的电抗器时，利用公式(7)(8)进行验算如下：3XL一(Xc／3)=3木0．12Xc-(Xc／3)：0．02XcO这就说明了在并联电容器支路中串联电抗器的电抗率为l2％时，对于3次谐波和3次以上的各次谐波，该支路均呈现感抗，因而有效地抑制了谐波电流对并联电容器的影响。4．2串联电抗器会使并联电容器端电压升高当无功补偿电容器支路串联电抗器之后，会使并联电容器的端电升高，其端电压升高值可用下式计算：---------由公式(1O)可知：当串联电抗器的电抗率为13％时，则Uc=1．15Ue／31／2，也就是并联电容器的端电压比系统额定电压高1．15倍。按上述公式(9)计算串联电抗器的感抗时，其可靠系数K如果取得大一些，则可靠性提高，但是会使并联电容器的端电压升高，同时也增加了电抗器的成本。因此串联电抗器的电抗率具体值取多少比较合适，要对技术、经济和可靠性等诸多因素进行综合考虑。4．3串联电抗器的额定电流串联电抗器的额定电流不应小于所连接的电容器组的额定电流，其允许的过电流值不应小于电容器组的最大过电流值。4．4串联电抗器的绝缘等级串联电抗器的绝缘等级必须与所连接的母线的额定电压等级相适应，其匝间绝缘应比同电压等级下的电力变压器等设备更有所加强。4．5串联电抗器与限制涌流电抗器现在成套配置的无功补偿并联电容器装置都配有一个电抗率为0．1％～l％的电抗器，这个电抗器是用于限制并联电容器组的暂态开关涌流的，千万不要与抑制谐波的串联电抗器相混淆，但是抑制谐波的串联电抗器同时可以起到限制并联电容器组的暂态开关涌流的作用。5．小结5．1在工业传动中由于三相非线性负载较多，系统中的特征谐波主要为5次及5次以上的高次谐波。在民用建筑电气设备中由于单相非线性负载较多，系统中的特征谐波主要为3次及3次以上的高次谐波5．2谐波电流在一定条件下会造成无功补偿并联电容器的过电流，及配电线路中N线电流超过相线电流。5．3在并联电容器回路中串联一定电抗率的电抗器，可以抑制谐波电流对并联电容器造成的过电流。5．4串联电抗器参数的选择，应对技术、经济和可靠性等诸多因素进行综合考虑。5．5要分清限制涌流的串联电抗器和抑制谐波电流的串联电抗器的区别，4两者的作用和电抗率都不相同。5．6一般情况下在低压系统中，当单相变频器容量在200kW以下时，可以采用串联电抗器的方法来抑制谐波电流对并联电容器的影响。当单相变频器容量超过200kW时，此时谐波电流源产生的3次谐波电流大于100h。在这种情况下，最好采用装设3次谐波滤波器。3次谐波滤波器不仅可以吸收谐波电流，而且还可以提供无功补偿，但是投资将增大。