串聯(lián)電抗器及其電抗率的選取

1、串聯(lián)電抗器的作用及電抗率的選擇1 前言隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，如低壓小容量家用電器和高壓大容量的工業(yè)用交、直流變換裝置，特別是靜止變流器的采用，由于它是以開(kāi)關(guān)方式工作的，會(huì)引起電網(wǎng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，從而引起電網(wǎng)的諧波污染”。產(chǎn)生電網(wǎng)諧波污染”的另一個(gè)重要原因是電網(wǎng)接有沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷，如電弧爐、大型軋鋼機(jī)、電力機(jī)車等，它們?cè)谶\(yùn)行中不僅會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波，而且會(huì)使電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡日趨嚴(yán)重。這不僅會(huì)導(dǎo)致供用電設(shè)備本身的安全性降低，而且會(huì)嚴(yán)重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，形成了對(duì)電網(wǎng)的公害”。電能質(zhì)量的綜合治理應(yīng)遵循誰(shuí)污染誰(shuí)治理，多層治理、

2、分級(jí)協(xié)調(diào)的原則。在地區(qū)的配電和變電系統(tǒng)中，選擇主要電能質(zhì)量污染源和對(duì)電能質(zhì)量敏感的負(fù)荷中心設(shè)立電能質(zhì)量控制樞紐點(diǎn)，在這些點(diǎn)進(jìn)行在線電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、采取相應(yīng)的電能質(zhì)量改善措施顯得格外重要。在并聯(lián)電容器裝置接入母線處的諧波污染”暫未得到根本整治之前，如果不采取必要的措施，將會(huì)產(chǎn)生一定的諧波放大。在并聯(lián)電容器的回路中串聯(lián)電抗器是非常有效和可行的方法。串聯(lián)電抗器的主要作用是抑制高次諧波和限制合閘涌流1,防止諧波對(duì)電容器造成危害，避免電容器裝置的接入對(duì)電網(wǎng)諧波的過(guò)度放大和諧振發(fā)生。但是串聯(lián)電抗器絕不能與電容器組任意組合，更不能不考慮電容器組接入母線處的諧波背景。文章著重就串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用展開(kāi)分析，

3、并提出電抗率的選擇方法。2 電抗器選擇不當(dāng)?shù)暮蠊?.1 基本情況介紹某 110kV 變電所新裝兩組容量 2400kvar 的電容器組，由生產(chǎn)廠家提供成套無(wú)功補(bǔ)償裝置，其中配置了電抗率為 6%的串聯(lián)電抗器，容量為 144kvar。電容器組投入運(yùn)行之后，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，該 110kV 變電所的 10kV 母線的電壓總畸變率達(dá)到 4.33%,超過(guò)公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）4%的限值2,其中 3 次諧波的畸變率達(dá)到 3.77%,超過(guò)公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）3.2%的限值2。經(jīng)過(guò)仔細(xì)了解和分析，發(fā)現(xiàn)該 110kV 變電所的 10kV 系統(tǒng)存在大量的非線性負(fù)載。即使在電容器組不投入運(yùn)行的情況下，10kV

4、母線的電壓總畸變率也高達(dá) 4.01%,其中 3 次諧波的畸變率高達(dá) 3.48%o 在如此諧波背景下，2400kvar 電容器組配置電抗率為 6%的串聯(lián)電抗器是否適合？現(xiàn)計(jì)算分析如下。2.2 電抗率的選擇分析（1）電容器裝置側(cè)有諧波源時(shí)的電路模型及參數(shù)在同一條母線上有非線性負(fù)荷形成的諧波電流源時(shí)（略去電阻），并聯(lián)電容器裝置的簡(jiǎn)化模型如圖 1 所示3。諧波電流和并聯(lián)諧波阻抗為式中 n 為諧波次數(shù)；n 為諧波源的第 n 次諧波電流；XS 為系統(tǒng)等值基波短路電抗；XC 為電容器組基波容抗；XL 為串聯(lián)電抗器基波電抗。由于諧波源為電流源，諧波電壓放大率與諧波電流放大率相等，故由式整理推導(dǎo)可得諧波電壓放大

5、率當(dāng)式（2）諧波阻抗的分子的數(shù)值等于零時(shí)，即從諧波源看入的阻抗為零，表示電容器裝置與電網(wǎng)在第 n 次諧波發(fā)生串聯(lián)諧振，可得電容支路的串聯(lián)諧振點(diǎn)當(dāng)式（2）諧波阻抗的分母的數(shù)值等于零時(shí)，即從諧波源看入的阻抗為 8,表示電容器裝置與電網(wǎng)在第 n 次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并可推導(dǎo)出電容器裝置的諧振容量 QCX4為系統(tǒng)及元件的參數(shù)如表 1 所示。（2）避免諧振分析計(jì)算電抗率選擇 6%時(shí)，發(fā)生 3 次、5 次諧波諧振的電容器容量，將有關(guān)參數(shù)代入式（5）,得 3 次、5 次諧波諧振電容器容量分別為由此可見(jiàn)，2400kvar 的電容器組配置電抗率為 6%的串聯(lián)電抗器不會(huì)發(fā)生 3 次、5 次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振

6、。（3）限制涌流分析計(jì)算電抗率選擇 6%后，同一電抗率的電容器單組或追加投入時(shí)，能否有效抑制涌流，文獻(xiàn)4中所提供的涌流峰值的標(biāo)幺值（以投入的電容器組額定電流的峰值為基準(zhǔn)值）；Q 為電容器組的總?cè)萘?，Mvar;Q0 為正在投入的電容器組的總?cè)萘?，Mvar;Q?為所有原來(lái)已經(jīng)運(yùn)行的電容器組的總?cè)萘浚琈var;b 為電源影響系數(shù)。已知兩套電容器裝置均為單組投切由此可見(jiàn)，2400kvar 的電容器組配置電抗率為 6%的串聯(lián)電抗器，另外一組電抗率為 6%的電容器單組或追加投入時(shí)，涌流能夠得到有效限制。（4）諧波電壓放大率分析計(jì)算電抗率選擇 6%時(shí)，將有關(guān)參數(shù)代入式（3）,經(jīng)過(guò)計(jì)算，電容器組對(duì) 17 次諧

7、波電壓放大率 FVN 結(jié)果如表 2 所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，選擇 6%的串聯(lián)電抗器對(duì) 3次諧波電壓放大率 FVN 為 1.21,對(duì) 5 次諧波電壓放大率 FVN 為0.69。經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較發(fā)現(xiàn)：3 次諧波電壓放大率 FVN 與以上理論計(jì)算值基本一致，5 次諧波電壓放大率 FVN 但的誤差較大。文獻(xiàn)5認(rèn)為：簡(jiǎn)化的電路模型對(duì)于 3次諧波電壓放大率 FVN 的計(jì)算有工程價(jià)值，但又 5 次諧波電壓放大率 FVN 的計(jì)算無(wú)工程價(jià)值。2400kvar 的電容器組配置電抗率為 6%的串聯(lián)電抗器，產(chǎn)生了 3 次諧波放大，且超過(guò)公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）3.2%的限值2。因此可以判斷在如此諧波背景

8、下，2400kvar的電容器組配置電抗率為 6%的串聯(lián)電抗器是不恰當(dāng)?shù)?。?）電抗率的合理選擇要做到合理地選擇電抗率必須了解該電容器接入母線處的背景諧波，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)癥下藥。并聯(lián)電容器的串聯(lián)電抗器，IEC 標(biāo)準(zhǔn)按照其作用分為阻尼電抗器和調(diào)諧電抗器。阻尼電抗器的作用是限制并聯(lián)電容器組的合閘涌流，其電抗率可選擇得比較小，一般為 0.1%1%;調(diào)諧電抗器的作用是抑制諧波。當(dāng)電網(wǎng)中存在的諧波不可忽視時(shí)，則應(yīng)考慮使用調(diào)諧電抗器，其電抗率可選擇得比較大，用以調(diào)節(jié)并聯(lián)電路的參數(shù)，使電容支路對(duì)于各次有威脅性諧波的最低次諧波阻抗成為感性，據(jù)式（4）可得 K 值即對(duì)于諧波次數(shù)最低為 5 次的，K4%;對(duì)于諧波次

9、數(shù)最低為 3 次的，K11.1%o如果該變電所的 2400kvar 電容器組的電抗率分別按照 0.1%、1%、4.5%、12%配置，試將有關(guān)參數(shù)代入式（3） ,經(jīng)過(guò)計(jì)算， 17 次諧波電壓放大率 FVN 的結(jié)果如表 3 所示。 由計(jì)算結(jié)果可以看出，選擇 12%的串聯(lián)電抗器對(duì) 3 次諧波電壓放大率 FVN 僅為 0.50。因此電抗率按照 12%配置是值得進(jìn)一步驗(yàn)算的。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)算（諧振分析、限制涌流分析因篇幅所限略），選才 i12%的串聯(lián)電抗器不會(huì)發(fā)生 3 次、次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振，5 同時(shí)另外一組電抗率為 12%的電容器單組或追加投入時(shí)，涌流能夠得到有效限制。（6）電抗率選擇的進(jìn)一步分

10、析值得一提的是我國(guó)的電網(wǎng)普遍存在 3 次諧波，故不同電抗率所對(duì)應(yīng)的 3 次諧波諧振電容器容量 QCX3 應(yīng)該引起足夠的重視。由式（5）計(jì)算可得，分別選擇 4.5%、6%和 12%的串聯(lián)電抗器后，3 次諧波諧振電容器容量分別為即當(dāng)串聯(lián)電抗率選4.5%,電容器的容量達(dá)到或接近電容器裝置接入母線的短路容量的 6.6%時(shí)，就會(huì)發(fā)生 3 次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振；當(dāng)串聯(lián)電抗率選 6%,電容器的容量達(dá)到或接近電容器裝置接入母線的短路容量的 5.1%時(shí)，也會(huì)發(fā)生 3 次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振；當(dāng)串聯(lián)電抗率選 12%,一般不會(huì)發(fā)生 3 次諧波并聯(lián)諧振。一般情況下，110kV 變電所裝設(shè)的電容器的容量較?。?/p>

11、0.05Sd0.06Sd）,不會(huì)發(fā)生 3 次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振，但會(huì)引起 3 次諧波的放大；而 220kV 變電所裝設(shè)的電容器的容量較大，完全有可能發(fā)生 3 次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振，因此務(wù)必引起設(shè)計(jì)人員的高度重視。3 串聯(lián)電抗器的選擇串聯(lián)電抗器額定端電壓串聯(lián)電抗器的額定端電壓與串聯(lián)電抗率、電容器的額定電壓有關(guān)。該額定端電壓等于電容器的額定電壓乘以電抗率（一相中僅一個(gè)串聯(lián)段時(shí)），10kV 串聯(lián)電抗器的額定端電壓的選擇見(jiàn)表 4。串聯(lián)電抗器額定容量串聯(lián)電抗器額定容量等于電容器的額定容量乘以電抗率（單相和三相均可按此簡(jiǎn)便計(jì)算）由此可見(jiàn)，。串聯(lián)電抗器額定端電壓、額定容量均與電容器的額定電壓、額

12、定容量及電抗率有關(guān)。電容器的額定電壓、額定容量本文不作詳細(xì)分析，下面著重分析串聯(lián)電抗率的選擇。電抗率選擇的一般原則（1）電容器裝置接入處的背景諧波為 3 次根據(jù)文獻(xiàn)4,當(dāng)接入電網(wǎng)處的背景諧波為 3 次及以上時(shí)，一般為 12%;也可采用 4.5%6%與 12%兩種電抗率。設(shè)計(jì)規(guī)范說(shuō)的較含糊，實(shí)際較難執(zhí)行。筆者認(rèn)為，上述情況應(yīng)區(qū)別對(duì)待：1）3 次諧波含量較小，可選擇 0.1%1%的串聯(lián)電抗器，但應(yīng)驗(yàn)算電容器裝置投入后 3 次諧波放大是否超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值，并且有一定的裕度。2）3 次諧波含量較大，已經(jīng)超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值，選擇 12%或 12%與 4.5%6%的串聯(lián)電抗器混合裝設(shè)。（2）電容器裝置接入處的背景諧波為 3 次、5 次 1）3 次諧波含量很小，5 次諧波含量較大（包括已經(jīng)超過(guò)或接近國(guó)標(biāo)限值），選擇 4.5%6%的串聯(lián)電抗器，忌用 0.1%1%的串聯(lián)電抗器。2）3 次諧波含量略大，5 次諧波含量較