呂超群 吳國偉

(杭州市蕭山區(qū)質(zhì)量計(jì)量監(jiān)測(cè)中心，杭州 311200)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，不斷有新的電力電子設(shè)備和其他非線性負(fù)載接入電網(wǎng)，電網(wǎng)諧波含量逐年增大。無源電力濾波裝置能有效地解決電網(wǎng)諧波電流超標(biāo)和功率因數(shù)不能達(dá)標(biāo)的雙重問題，并因其技術(shù)成熟、設(shè)計(jì)簡單、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

我國于上世紀(jì)50年代開始電力濾波技術(shù)的研究，經(jīng)過半多個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，我國電力濾波裝置在研制、生產(chǎn)和應(yīng)用等方面已與國際發(fā)展步伐同步，但至今仍未頒布低壓電力濾波裝置的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，濾波裝置的功能和濾波效果參差不齊，尤其是無源電力濾波裝置，各生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品性能更是差異明顯。

為此，本文主要研討低壓無源電力濾波裝置的檢驗(yàn)要求，通過這些項(xiàng)目檢驗(yàn)?zāi)艽_保濾波裝置的功能和濾波效果滿足各種工況的要求。

1 檢驗(yàn)項(xiàng)目

低壓無源電力濾波裝置的試驗(yàn)分為出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。出廠試驗(yàn)應(yīng)包括：結(jié)構(gòu)檢查、電容測(cè)量、電抗測(cè)量、工頻耐受電壓試驗(yàn)、放電器件試驗(yàn)、保護(hù)功能試驗(yàn)、投切試驗(yàn)、濾波功能試驗(yàn)和防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)；型式試驗(yàn)應(yīng)包含全部出廠試驗(yàn)，以及雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、并聯(lián)諧振試驗(yàn)和短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方法

無源電力濾波裝置具有濾波和無功補(bǔ)償雙重功能，因此，其結(jié)構(gòu)檢查、電容測(cè)量、電抗測(cè)量、工頻耐受電壓試驗(yàn)、放電試驗(yàn)、保護(hù)功能試驗(yàn)、投切試驗(yàn)、雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)和防護(hù)等級(jí)試驗(yàn)可按照《GB/T 15576—2008.低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行[1]。本文僅探討目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未涉及的濾波功能試驗(yàn)和并聯(lián)諧振試驗(yàn)。

2.1 濾波效果試驗(yàn)

無源電力濾波裝置應(yīng)滿足電力用戶提出的抑制諧波或?yàn)V除諧波，并具有較高性價(jià)比的技術(shù)要求。

由于不同用電場(chǎng)所諧波次數(shù)和幅值不同，用戶要求也不一致，制造商一般根據(jù)用電場(chǎng)所的諧波數(shù)據(jù)，依據(jù)《GB/T 14549—1993.電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》中公用電網(wǎng)諧波電壓限值及諧波電流允許值的規(guī)定[2]，與用戶協(xié)商確定裝置抑制諧波或?yàn)V除諧波的技術(shù)參數(shù)，以滿足用戶的要求。如果僅以文獻(xiàn)[2]中公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值及諧波電流允許值作為檢驗(yàn)濾波裝置的濾波效果，那么測(cè)試結(jié)果很難反應(yīng)不同濾波裝置濾波效果的性能差異。

鑒于，目前濾波效果試驗(yàn)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文以諧波濾除率這一指標(biāo)來衡量無源濾波裝置的濾波效果。諧波濾除率是指濾波裝置接入前后，注入系統(tǒng)諧波電流的減少量，按接入前注入系統(tǒng)諧波電流的百分比表示。

諧波濾除率計(jì)算式為：

KLn=(In0-In)/In0×100%

式中，In0為未接入濾波裝置時(shí)，注入系統(tǒng)的n次諧波電流；In為接入濾波裝置后注入系統(tǒng)的n次諧波電流。

諧波電流和諧波濾除率應(yīng)取三相的算術(shù)平均值。

濾波裝置安裝完畢且諧波源設(shè)備正常運(yùn)行后，進(jìn)行裝置參數(shù)設(shè)置和諧波測(cè)試。使用電能質(zhì)量分析儀，記錄裝置投入前、后的諧波數(shù)據(jù)，并計(jì)算諧波濾除率。

裝置型式試驗(yàn)時(shí)，因?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)變壓器與裝置參數(shù)不能完全匹配，故對(duì)3次及以上諧波的濾波回路，其諧波濾除率不應(yīng)低于60%；現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，因裝置參數(shù)根據(jù)用電系統(tǒng)諧波源配置，故其諧波濾除率應(yīng)高于70%。達(dá)到上述規(guī)定，則裝置能滿足一般電力用戶的諧波治理要求。對(duì)于2次濾波回路，其諧波濾除率應(yīng)滿足用戶的訂貨技術(shù)要求。

2.2 并聯(lián)諧振試驗(yàn)

電力系統(tǒng)中主要諧波源為電流源，其主要特征是外阻抗變化時(shí)電流不變。其簡化電路和諧波等效電路如圖1所示。圖中，In為負(fù)載的n次諧波電流，ISn為注入電網(wǎng)的n次諧波電流，ICn為濾波裝置吸收的n次諧波電流，nXS為電網(wǎng)對(duì)n次諧波的阻抗，XC/n為濾波裝置對(duì)n次諧波的容抗，nXL為濾波裝置對(duì)n次諧波的感抗。

圖1 用電系統(tǒng)簡化電路及諧波等效電路圖

無源電力濾波裝置通常由RLC電路組成，一般可簡化為LC串聯(lián)電路。設(shè)計(jì)時(shí)，通常使

式中，n為諧波次數(shù)；XL為濾波裝置基波感抗；XC為濾波裝置基波容抗。

這樣濾波設(shè)置能有效地吸收n次諧波電流。當(dāng)諧波次數(shù)大于n時(shí)，濾波裝置呈感性；當(dāng)諧波次數(shù)小于n時(shí)，濾波裝置呈容性。因此，當(dāng)濾波裝置呈容性時(shí)存在與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振的可能。并聯(lián)諧振時(shí)諧波電流被極度放大，其數(shù)值可達(dá)到原值的幾十至幾百倍，嚴(yán)重危及電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)必須避免濾波裝置與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

并聯(lián)諧振試驗(yàn)采用等效電路的方法進(jìn)行[3]。在濾波裝置旁并聯(lián)一只等效電感，測(cè)量并聯(lián)電路的諧波阻抗，比較并聯(lián)電路的諧波阻抗和所并聯(lián)電感的諧波阻抗來判斷是否會(huì)發(fā)生并聯(lián)諧振。試驗(yàn)時(shí)，所有濾波支路根據(jù)允許的投切組合均應(yīng)并聯(lián)在一起[4]。

等效電感應(yīng)為濾波裝置擬接入母線的系統(tǒng)短路容量所折算的等值電感：

式中：LS為等效電感；Uj為濾波裝置接入點(diǎn)系統(tǒng)的平均電壓kV；Sd為濾波裝置接入點(diǎn)系統(tǒng)的短路容量MVA。

為了確保在最大、最小短路容量范圍內(nèi)均不發(fā)生并聯(lián)諧振，等效電感至少應(yīng)在最大短路、最小短路容量及其平均值三個(gè)點(diǎn)取值分別進(jìn)行試驗(yàn)。等效電感的基波品質(zhì)因數(shù)應(yīng)不小于40。

并聯(lián)諧振的判斷：

1)在n次諧波頻率下測(cè)量濾波裝置與等效電感并聯(lián)后的阻抗Zn，測(cè)試儀器推薦使用可調(diào)頻率的阻抗測(cè)試儀。

式中：Zn為濾波裝置與等效電感并聯(lián)后的諧波阻抗；LS為等效電感。

2)濾波補(bǔ)償裝置一般具有過流保護(hù)功能，當(dāng)電流大于一定值(一般不超過1.3倍額定電流)時(shí)，濾波支路自動(dòng)退出用電系統(tǒng)，故并聯(lián)諧振持續(xù)時(shí)間比較短(小于1s)。參考文獻(xiàn)[1]規(guī)定對(duì)于“容量不小于150kVA的裝置，其主電路的額定短時(shí)耐受電流應(yīng)不小于15kA”。另外，回路電阻對(duì)并聯(lián)諧振也有一定的抑制作用，根據(jù)裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)分析，容量不大于700kVA的裝置對(duì)所有頻率的并聯(lián)諧振放大倍數(shù)(K值)應(yīng)不大于8，容量大于700kVA的裝置對(duì)所有頻率的并聯(lián)諧振放大倍數(shù)(K值)應(yīng)不大于5，則能保證用電系統(tǒng)及濾波裝置的安全運(yùn)行[5]。

3 結(jié)論

本文提出了低壓無源電力濾波裝置的試驗(yàn)項(xiàng)目及方法，重點(diǎn)闡述了濾波效果試驗(yàn)和并聯(lián)諧振試驗(yàn)的檢驗(yàn)方法，是筆者與參濾波裝置試驗(yàn)和多年研究的總結(jié)，希望有助于低壓無源電力濾波裝置制造廠體會(huì)商的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)以及用戶的產(chǎn)品選型。

按本文闡述的試驗(yàn)項(xiàng)目和方法檢驗(yàn)合格的低壓無源電力濾波裝置，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，濾波效果良好。

[1] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 15576—2008.低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

[2] 國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14549—1993.電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1993

[3] Q/GDW 566-2010.高壓無源電力濾波裝置驗(yàn)收規(guī)范[S].河北：河北省電力公司，2006.

[4] 楊超，陳娟，祁欣.IIR數(shù)字濾波器在磁彈噪訊檢測(cè)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)量技術(shù)，2009(3)

[5] CNCA 01C-20011-2001. 電氣電子產(chǎn)品強(qiáng)制性認(rèn)證實(shí)施規(guī)則 低壓電器 開關(guān)和控制設(shè)備[S].北京：中國國家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)，2007