串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择

1、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

2、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 ”

3、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

4、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

5、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。图皑脅爲黎倔石谐玻滋时的原理图及同化陀路樓型Vii The skcklon dingrani and hvrt-cul riirwil iixxld withharmonic sourer In the side capacitor kinks谐波电流和并联谐波阻抗为Xc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; 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

6、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u =1 I n (5 + K 式屮IX fQ.K为电抗率f K =“ h S.为电容器装ME入处邯线的垃略笄址；Q、为电舁器製W容肚(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it m Xt = 1/(4)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汽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Q cx 4为= 3( K、(5)if系统及元件的参数如表

7、i所示。表1蕨统1iib, 1 ParwnMler =” eyl2.52Mvar2400kvare. = l4-)= 244)Sx(Jr-6*) =fTJ4.899 Mtar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AP /? = - .1，aWQg,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 0为所有原来

8、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Q 什=Q =24OOkvar0 = Q严Q 上2400 +240() = 4800 二 4.8 Mvar1-1= I -1 / Jl +4.8/(6%x2M98)=I-1Z 1 +48/(6% x 244.981 - I -0.868 =0.132将琴敕0代入式对紂I了 j-(1 -0J32x )+1 =3.813 20T harnMMiic几 * Crmuprimary hanTMnie lo VMDlh haEwmX whenOk mtin of 5cri 4% ;对于谐波次数最低为3次的，K 1

9、1.1%。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，17次谐波电压放大率 Fvn的结果如表3所示。K 5 2400Har的跑容落绍配聖电杭宰分别为（LK1警，12的康联电抗器后1：乂谐波咆压放大軍人、lh The nutjuiiHralion oThiimHinir yoJim囂trfromprinmn hnniMink （o seventh hurmcmk- when I He ratio ofwrh叫 rvwcuiiMX1 dhirihutcd In 2400 kwnr capadturIwnk% is

10、14、4-5%, 12併u r i * jvI UK：3C*4 A 7ft町I1卜1 fHfWt.i?1 i 50i沪l炉IJMLin1 2ft142i m?PH2MU1 M1刖J.tM)a5同,# Jitia.7 J7J5IM JTOS*5ItO.ltXh1u/Ottfi；/J7omiij屯/ 一w3.2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)

11、 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，

12、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

13、的严重放大或谐振。4 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

14、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

15、电压降。通常选择 电压降在 4V8V 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围的电缆长度来确定，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100A461H200A231H250A16 1H300A13 1H600 米100A921H200A461H250A341H300A271H理想的电抗器在额定交流电