王紀松

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233018)

調(diào)諧式電抗電容器組無功補償及對諧波改善的應用

王紀松

(中國建材國際工程集團有限公司，蚌埠 233018)

該文主要介紹了調(diào)諧式電容器組和諧波濾波器及其補償系統(tǒng)對提高電能效率和保證電能質(zhì)量等方面存在的優(yōu)勢，提出了抑制工業(yè)和商業(yè)建筑設計中諧波惡化系統(tǒng)電能質(zhì)量的措施，從而降低不良電源質(zhì)量對電氣系統(tǒng)的影響。

諧波； 諧振； 電能質(zhì)量； 調(diào)諧式電容器組

隨著社會的發(fā)展和工業(yè)自動化程度的提高，在公共電網(wǎng)和工業(yè)電網(wǎng)中諧波量的不斷增加是目前整個電力系統(tǒng)發(fā)展過程中出現(xiàn)的共同趨勢，這與其工業(yè)化的大規(guī)模應用以及商用、民用建筑中的電力設備大量使用非線性負載有著直接關系。這些非線性負荷設施通常為二極管整流器或晶閘管，在如風機水泵變頻裝置、輸送傳動變頻裝置、照明燈具、計算器及不間斷電源(UPS)等等中都大量使用。當這些非線性用電性質(zhì)的負荷接入到電網(wǎng)中就會產(chǎn)生大量的諧波電流，并量足夠大的時候就會引起電網(wǎng)電壓及電網(wǎng)電流的畸變，最終導致電網(wǎng)中電能質(zhì)量的下降。

為提高電能效率，一般在工程設計中都會采用靜態(tài)電容器組補償裝置。不論何時，一旦準備在系統(tǒng)母線上連接補償電容器組，只要在電網(wǎng)或用戶設備中有諧波電流或諧波電壓存在的同時，就有出現(xiàn)補償電容器組產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振現(xiàn)象的可能，并最終將會導致各種故障，例如：電容器故障(變形、膨脹、起火、爆炸……)、設備電壓或運行電流總畸變率變大、運行設備狀態(tài)不正常、電氣設備發(fā)生故障等等。在這種情況下，配備使用無功功率補償系統(tǒng)裝置時須綜合考慮各方面因素。這樣，在使用補償電容器組的系統(tǒng)中，應提前預測到各種可能存在的諧波電流，要充分考慮到產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振的可能性。為了系統(tǒng)的運行安全，應考慮采用調(diào)諧式電抗電容器組或調(diào)諧濾波器設備。當使用了調(diào)諧式電抗電容器組時，其在改善功率因數(shù)的同時，也可以有效地避免諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)；在保護補償電容器的同時，降低了諧波電流對電器設備可能造成的各種危害。當使用調(diào)諧濾波器設備時，也可以有效地吸收諧波電流，降低諧波電壓，大大降低諧波對電器設備的危害，從而凈化電源。

隨著時間的推移、社會的發(fā)展、技術的進步、工業(yè)現(xiàn)代化進程的增速，我們將不得不考慮電源的質(zhì)量問題以及對應的解決措施。該文將著重分析補償電容器組的電容和用戶電網(wǎng)、供電電網(wǎng)的電感相互之間形成的并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振回路同諧波電流之間的因果關系。當并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振回路中產(chǎn)生的諧振頻率與電網(wǎng)中存在的諧振頻率非常接近時，產(chǎn)生的諧振電流隨之發(fā)生畸變并最終導致電壓波形畸變，作者在此簡要敘述了抑制諧波的方法。

1 諧波對功率因數(shù)補償電容器的影響

眾所周知，由于補償電容器的容性特點，在電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生共振情況下可明顯地改變系統(tǒng)的阻抗特性。電容器組的特性是它的容抗是隨系統(tǒng)的頻率升高而降低的，因此在系統(tǒng)中使用電容器組可以達到吸收高次諧波電流的作用，但反方面，這種作用的同時會造成溫度升高，使得電器設備的絕緣材料的介質(zhì)應力增加。在實際供電系統(tǒng)中，若非線電磁組件因為工作需要頻繁地切換，這時候就會在電源側(cè)(如變壓器)會產(chǎn)生相應的諧波電流，這樣在工作的同時這些諧波電流也增加了補償電容器的負擔。這意味著補償電容器的壽命將會由于諧波現(xiàn)象引起的發(fā)熱和電壓增加等問題導致不同程度的縮短。

在電力系統(tǒng)中設計使用補償電容器組的時候，必須充分考慮到系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波、諧振的各方面因素，因為系統(tǒng)諧振將會導致系統(tǒng)中出現(xiàn)的諧波電壓和諧波電流會明顯地高于在系統(tǒng)無諧振發(fā)生的情況下出現(xiàn)的諧波電壓和諧波電流。

1.1 諧波與相應的并聯(lián)諧振

變頻調(diào)速設備容易產(chǎn)生諧波電流，這是大家已經(jīng)達成的共識，原理是電容器組的容性特性和電網(wǎng)中的感性特性形成了并聯(lián)諧振回路，而且可被會被放大至10～15倍。圖1為并聯(lián)諧振的典型電路圖，其中的諧波電流被放大，圖中的電容器組的內(nèi)部組件會造成溫度升高和相應的各方面故障。

1.2 諧波與相應的串聯(lián)諧振

在電壓波形畸變發(fā)生在上一級供電網(wǎng)絡的系統(tǒng)電壓中的情況下，串聯(lián)諧振回路會在經(jīng)由補償電容器組的電容和供電變壓器的短路電感之間形成，同時高次諧波電流會由于串聯(lián)諧振回路會的形成被吸引流入補償電容器組。

圖2為串聯(lián)諧振發(fā)生的典型電路圖，串聯(lián)諧振一般會導致在變壓器的低壓側(cè)出現(xiàn)較高的電壓波形畸變。

2 調(diào)諧式電容器組和諧波濾波器應用分析

在談論提高電力系統(tǒng)的電能效率時，最關心的是采用何種形式可以取得最大效果，并同時能夠確保電網(wǎng)及電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。如果設計中僅僅考慮采用無功功率補償系統(tǒng)來提高電力系統(tǒng)的電能效率，而不知道如何避免電容器組與系統(tǒng)產(chǎn)生的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，就不會得到任何有用的效果，并有可能會造成很大的損失，這是一個值得加倍小心的問題。

按照“GB/T 14549—93、IEEE 519—1992”標準，在電力部門對諧波量有限制的地方，安裝濾波電容器組是必須的。圖3是在實際應用中設置5次、7次、11次3個不同分支路濾波電容器組的典型示意，在實際應用中，根據(jù)需要吸收的諧波量和需要補償?shù)臒o功功率容量來考慮設置濾波分支路的數(shù)量。在有些比較簡單的工況情況下，僅設置一個濾波分支路就可滿足電壓波形畸變限制和無功功率補償需要的要求。

根據(jù)“IEEE 519—1992”標準，基波電壓的3%為單次諧波電壓畸變率允許范圍。例如，某些情況下，補償電容器在電力系統(tǒng)母線上沒有配置，并且實際上非線性負載在電氣設備占的比重較小，經(jīng)實際現(xiàn)場測量，單次諧波電壓畸變的值也低于要求的3%，這種情況下將負荷接至母線上就較為簡單。但同時也需注意，在任何情況下，只要把不帶電抗器的電容器組件連接在相應的電力母線上，就不可避免地會出現(xiàn)或多或少的并聯(lián)或串聯(lián)諧振頻率。如果出現(xiàn)的諧振頻率正好與某些諧振頻率重合，那么諧波電壓和諧波電流就可能會被明顯放大。在此種情況下，如果沒有諧波限制措施，諧波的主要成分都將會被注入到上級電網(wǎng)。

圖4是關于調(diào)諧式電容器組的典型例子。在此種情況下，我們要根據(jù)負載功率因數(shù)和目標功率因數(shù)的實際情況計算所需段數(shù)，通常我們都要根據(jù)規(guī)定的電壓畸變限制值來進行設計。比如：低壓母線的電壓畸變限制值要求為：U3RD=0.5%；U5TH=5%；U7TH=5%。一般情況下，典型調(diào)諧頻率通常為204 Hz和189 Hz，對應的分別是6%的電抗器和7%的電抗器。兩者對比，7%的電抗器比使用6%電抗器允許連接更多的非線性負載相。另一方面，電抗器鐵芯的線性度也是設計時必須要考慮的問題，以保證其在涌流發(fā)生時和在系統(tǒng)額定電壓發(fā)生畸變的情況下不能出現(xiàn)飽和狀態(tài)。

當我們設計無功功率補償系統(tǒng)時，假如是一個全新的項目，設計的時候不能確切知道有什么樣的負荷，我們只能按照通常較合理的方法來進行設計，一般是采用高于系統(tǒng)電壓的額定電壓(例如400 V系統(tǒng)采用525 V電容器)來選擇補償電容器組。如果我們采用較高額定電壓的補償電容器組，這樣在將來如有負載會產(chǎn)生較嚴重諧波的情況，我們不需更換補償電容器組，僅需增加相應的電抗器即可，這樣就提高了項目的靈活性和拓展性。

不論任何項目，只要有可能造成補償電容器組周圍溫度太高，并可能超出其溫度上限值的最高允許值時，則需要針對補償電容器組裝置增加專用的冷卻風系統(tǒng)。特別是在采用調(diào)諧式或濾波電抗器的柜體內(nèi)，因為與純粹的補償電容器組相比，電抗器本體運行時會產(chǎn)生更大的熱量。

3 解決電力低壓系統(tǒng)中諧波諧振危害的應用實例

例1:不間斷電源UPS電容補償引起諧波放大的解決方案：

在一個商業(yè)大樓內(nèi)，發(fā)現(xiàn)諸多補償電容器組因過熱而損壞，并發(fā)現(xiàn)損壞的是連接在供給計算機不間斷電源UPS變壓器的補償電容器組上的，補償是由自動功率因數(shù)控制進行的。通過專用儀器現(xiàn)場對諧波進行監(jiān)測，圖5表示測得實際供電變壓器基波和諧波電流以及供電電壓波形的總諧波畸變率(THD)。從圖5中可知，兩段50 kvar的電容器在投入后，實際出現(xiàn)非常嚴重的并聯(lián)諧振現(xiàn)象，監(jiān)控發(fā)現(xiàn)將30 A的由UPS產(chǎn)生的11次諧波電流放大到了10倍，峰值最高竟然達到了283 A，對應的電壓波形的總諧波畸變率(THD)也增大了19%。

圖6為在電容器組側(cè)通過儀器檢測的電流結(jié)果。從圖6中可知，當兩段50 KVAR的電容器組投入，電容器上通過的監(jiān)測電流的有效值(RMS)是364 A，等于額定電流2.5倍的電流通過了電容器，這就從一方面解釋了為什么電容器容易損壞(電容器過流能力一般是額定電流的1.3倍左右)。從以上兩個實測的例子看，可確認諧振現(xiàn)象在供電系統(tǒng)中是普遍存在的，因此在設計工作中，當采用無功補償系統(tǒng)時，應當優(yōu)先選用7%電抗器的調(diào)諧式電容器組。

圖7為帶7%電抗的新電容器組投入運行后，相同工況針對供電系統(tǒng)電流以及電壓波形的總諧波畸變率(THD)的再次測量結(jié)果。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，在安裝了調(diào)諧電容器組后，通過在最大非線性負載下對調(diào)諧電容器組進行測試，幾段電容器經(jīng)過不同方式的投入工作，皆沒有產(chǎn)生較大的諧振，也沒有較大諧波電流現(xiàn)象的發(fā)生。

圖8是在對調(diào)諧電容器組側(cè)進行電流測試的結(jié)果，幾段電容器無論采用何種方式投入，其諧波電流均沒有超過限制值。

例2: 提高功率因數(shù)的補償電容器引起諧波電流放大的解決方案：

在一個企業(yè)配電系統(tǒng)中裝置的補償電容器總?cè)萘啃?，不能達到提高功率因數(shù)的目的。經(jīng)設計進一步計算需增容安裝400 kvar的補償電容器組方能滿足上級規(guī)定的功率因數(shù)要求。通過現(xiàn)場對諧波進行測量，如圖9所示，企業(yè)500 kVA變壓器供電稍有過載，5次諧波電流為62 A，是基波電流的9%。當電容器組投入時，由于無功得到了補償，基波電流降到492 A，可是5次諧波電流卻放大到456 A，是基波電流的93%，電壓的總諧波畸變率(THD)增加到16.2%，這種供電質(zhì)量是企業(yè)用電設備不能接受的。最后決定切除原有的電容器組調(diào)諧式電容器組，改為使用調(diào)諧式電容器組，以確保所有用電設備有良好的供電質(zhì)量。

例3: 原有電容補償引起諧波電流放大的解決方案：

在一個企業(yè)配電系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)150 kvar的補償電容器組經(jīng)常故障，為了徹底消除頻繁的故障，通過現(xiàn)場對諧波進行測量，如圖10所示。測得補償電容器上電流的有效值(RMS)是371A，主要諧波分量為11次。

測得補償電容器有效電流相當于額定電流的1.71倍，這就說明了補償電容器損壞的原因。由于電壓的總諧波畸變率(THD)即使不投入電容器也高達8.1%，該企業(yè)決定使用濾波電容器組進行無功補償，以確保所有用電設備有良好的供電質(zhì)量。

例4: 利用諧波濾波器改善功率因數(shù)和諧波的解決方案：

在一個企業(yè)配電系統(tǒng)中采用什么樣的無功補償才能達到改善功率因數(shù)滿足上級規(guī)定的要求。通過現(xiàn)場對諧波進行測量，電壓的總諧波畸變率(THD)是12%，如圖11所示，不帶電抗器的補償電容器組是不能使用的。應采用濾波電容器組進行無功功率補償，從圖中可以看出，當所有濾波器都投入使用，電壓的總諧波畸變率(THD)從12%降到2%。這種供電質(zhì)量是低壓供電系統(tǒng)所希望的。同時，由于無功功率得到補償，大量諧波電流被吸收，企業(yè)用電設備的基波供電電流也得到了大幅度下降，供電質(zhì)量達到了規(guī)定的限定值。

因此，在設計和實際中應用諧波濾波器是改善功率因數(shù)和諧波的最明智選擇。

4 結(jié) 語

通過大部分例子我們可以發(fā)現(xiàn)，在公共電網(wǎng)中的諧波水平達到或超過臨界規(guī)定值以前，在工業(yè)應用及商用建筑大樓的用戶電網(wǎng)系統(tǒng)中各種諧波問題已經(jīng)廣泛存在了。在用戶電網(wǎng)系統(tǒng)中，若使用了大量不帶電抗器的電容器組，在運行過程中就會引起不同的諧振現(xiàn)象，并在裝有補償電容器組的母線上引起并放大了相應的電壓畸變，最終會造成用戶設備的損壞或者發(fā)生事故。因此，對電力用戶而言，深入了解運行過程中可能發(fā)生的諧波問題，并將諧波畸變控制在限定值內(nèi)非常重要。

通過以上幾個不同情況的例子分析可以得到，我們必須將諧波觀念銘記在心并落實到日常的設計工作中來。只要妥善設計，提前綜合考慮，我們是可以在工作中將諧波和諧振情況提前解決和避免的，并最終保持一個綠色健康的公共電網(wǎng)。

[1] GB/T 14549—1993，電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波[S].

[2] IEEE 519—1992，電源系統(tǒng)的諧波控制的推薦實施規(guī)范和要求[S].

[3] GB 50227—2008，并聯(lián)電容器裝置設計規(guī)范[S].

[4] GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設計標準[S].

[5] JGJ/T 229—2010，民用綠色建筑設計規(guī)范[S].

[6] GB/T 23331—2012，能源管理體系要求[S].

Application of Reactive Power Compensation and Improvement of Harmonic for the Tuning Type Reactance of Capacitor Group

WANG Ji-song

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd，Bengbu 233018，China)

In this paper,we introduces how to use the tunable capacitor group harmony wave filter and the compensation system to improve and guarantee the electric energy efficiency,and puts forward how to suppress harmonic system due to deterioration of electric energy quality in industrial and commercial building system,in order to reduce the adverse effect of the power quality of electric energy system.

harmonic; resonance; the quality of electric energy system; the tuning capacitor group

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.022

2014-12-05.

王紀松(1976-)，高級工程師.E-mail:wjs@ctiec.net