李　珺,　田正其,　周　超,　紀(jì)　峰,　周和平

(1.江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京　211103;

2.國(guó)家電網(wǎng)公司 電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京　211103;

3.華立儀表集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州　310023)

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抑制諧波電流放大的無(wú)功補(bǔ)償措施探討

李珺1,2,田正其1,2,周超1,2,紀(jì)峰1,2,周和平3

(1.江蘇省電力公司 電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京211103;

2.國(guó)家電網(wǎng)公司 電能計(jì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京211103;

3.華立儀表集團(tuán)股份有限公司, 浙江 杭州310023)

摘要：用電負(fù)荷產(chǎn)生的各次諧波電流,在流經(jīng)系統(tǒng)等值感性阻抗與無(wú)功補(bǔ)償電容器組的容抗所形成的并聯(lián)回路時(shí),使其各支路的諧波電流被放大,直接威脅到電容器組的安全運(yùn)行。針對(duì)這一問(wèn)題,在電容器組回路中串接一定量值的電感線圈,在各次諧波作用下,使其回路阻抗呈現(xiàn)為感性,有效地限制了諧波電流,并收到良好效果。

關(guān)鍵詞：諧波電流; 補(bǔ)償電容器; 星形連接; 技術(shù)措施

0引言

為減少無(wú)功在電力系統(tǒng)中的流動(dòng),提高電力設(shè)備的利用率,并降低線路損耗,變電所公配變實(shí)施了無(wú)功補(bǔ)償。用電負(fù)荷產(chǎn)生的大量諧波電流主要是以3次和5次諧波為主,根據(jù)國(guó)家GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波要求》,在注入到電力系統(tǒng)時(shí)并未超出標(biāo)準(zhǔn),但在投入無(wú)功補(bǔ)償電容器組時(shí),因電容器組的容抗值與系統(tǒng)的等值阻抗形成并聯(lián)電路,使其各支路諧波電流被放大,導(dǎo)致無(wú)功補(bǔ)償電容器組不能正常工作,甚至燒毀。針對(duì)這一問(wèn)題,本文通過(guò)串接在電容器回路中的電感線圈在高次諧波時(shí)使其回路總的阻抗呈現(xiàn)感性,大大降低了各支路諧波電流,保證電容器安全運(yùn)行。

1實(shí)例

某公共配電變壓器容量為400 kVA,接線組別為Y/yo-12點(diǎn),供電電壓等級(jí)為10/0.4 kV,采用三相四線制供電方式。供電方式如圖1所示。

圖1　供電方式

在變壓器投入運(yùn)行后發(fā)現(xiàn),粘貼在補(bǔ)償電容器組上的試溫蠟片呈現(xiàn)紅色,說(shuō)明運(yùn)行的電容器已經(jīng)超過(guò)正常溫度值,此時(shí)無(wú)功補(bǔ)償電容器組被迫停運(yùn)。因此,在變壓器二次主0.4 kV側(cè)進(jìn)行了諧波電流測(cè)試,并依據(jù)GB/T 14549—1993標(biāo)準(zhǔn)與電壓等級(jí)為0.38 kV、基準(zhǔn)短路容量為10 MVA的電力用戶向公共連接點(diǎn)注入的諧波電流允許值進(jìn)行比對(duì)。公共接點(diǎn)注入諧波電流允許值與實(shí)測(cè)值如表1所示。主變壓器S11參數(shù)如表2所示。

表1　公共接點(diǎn)注入諧波電流允許值與實(shí)測(cè)值　A

表2　主變壓器S11參數(shù)

2數(shù)據(jù)分析

從表1可見(jiàn),注入到變壓器二次主側(cè)的各次諧波電流均未超出規(guī)定的允許電流值,無(wú)需采取濾波措施。無(wú)功補(bǔ)償電容器組采用三角形接線方式,在電容器組投入運(yùn)行后,電容器的容抗與系統(tǒng)等值感性阻抗形成并聯(lián)回路,對(duì)各次諧波電流形成分流,使其流入到系統(tǒng)和電容器組的諧波電流被放大。供電方式的簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

圖2　供電方式的簡(jiǎn)化電路

圖2中,Ifn為諧波電流源;Ifn1為注入到系統(tǒng)中的諧波電流;Ifn2為流經(jīng)電容器中的諧波電流;Ijb為系統(tǒng)基波電流;Ijb1為流經(jīng)電容器中的基波電流。系統(tǒng)等值阻抗是10 kV母線短路阻抗為計(jì)算依據(jù),母線短路阻抗又是以變壓器漏阻抗為主,無(wú)功補(bǔ)償電容器組安裝在低壓0.4 kV側(cè),因此變壓器漏阻抗要按0.4 kV側(cè)進(jìn)行計(jì)算,即

(1)

式中: ΔPto——變壓器額定銅損功率;

I1e——變壓器一次側(cè)額定電流;

K——電壓變比;

Ud——短路電壓。

將Ud=400 V、ΔPto=4.3 W、k=25、I1e=23.1 A代入式(1),得ZT=0.016∠82.4° Ω。

電容器無(wú)功補(bǔ)償容量一般取功率因數(shù)補(bǔ)償前的值,cosφ1=0.85,補(bǔ)償后要求達(dá)到1。用電負(fù)荷系數(shù)按Fx=0.8進(jìn)行計(jì)算,因此無(wú)功補(bǔ)償電容器的容量為

Qbc=SeFxcosφ1(tanφ1-tanφ2)=

400×0.8×0.85×0.62=168.64kvar

每相無(wú)功補(bǔ)償容量為

Qx=Qbc/3=168.64/3=56.2kvar

每相電容器的相電流為

Icx=Qx/Uxx=56.2/380=147.89A

每相電容器的容抗為

Xc=Uxx/Icx=380/147.89=2.57Ω

無(wú)功補(bǔ)償電容器組投入運(yùn)行后,為計(jì)算出流經(jīng)系統(tǒng)和支路的諧波電流,將電容器組三角形接線方式的阻抗等效成星形接線方式的阻抗。角星阻抗變換如圖3所示。

圖3　角星阻抗變換

三角形接線方式的阻抗變換成星形接線方式的阻抗的表達(dá)式為

(2)

因每相電容器的容抗值相等,將Xc=2.57 Ω代入式(2),得出星形接線方式的每相容抗值為

ZA=ZB=ZC=2.57/3=0.856Ω

3次諧波電流在注入到電網(wǎng)時(shí)與無(wú)功補(bǔ)償電容器組形成分流,無(wú)功補(bǔ)償電容器組經(jīng)三角形接線方式與星形接線方式的阻抗轉(zhuǎn)換,并與系統(tǒng)阻抗形成并聯(lián)電路。3次諧波等值電路如圖4所示。

圖4　3次諧波等值電路

在3次諧波分量的作用下,系統(tǒng)短路等值阻抗模數(shù)值為

補(bǔ)償電容器的容抗模數(shù)值為

ZC3=ZA/3=0.856/3=0.285Ω

因各支路電阻所占其阻抗比例很小,可認(rèn)為R=0,則3次諧波電流I3流入系統(tǒng)中的諧波電流為

流入電容器中的諧波電流為

根據(jù)GB/T 14549—1993,當(dāng)補(bǔ)償電容器組投入運(yùn)行時(shí),3次諧波電流及其他各次諧波電流均被放大。從上述計(jì)算結(jié)果可知,注入到電網(wǎng)中的3次諧波電流已達(dá)到極限值,同時(shí)流入到補(bǔ)償電容器組的諧波電流將導(dǎo)致電容器組因過(guò)電流而發(fā)熱,已威脅到補(bǔ)償電容器的安全運(yùn)行。

3技術(shù)措施

為防止3次諧波電流被放大,補(bǔ)償電容器組采用星形中性點(diǎn)不接地方式,使其諧波電流無(wú)法構(gòu)成回路。對(duì)于5次諧波分量可以通過(guò)串接電感線圈的方法,使其回路呈現(xiàn)感性,限制諧波電流被放大,即

(3)

式中:Kxs——防止諧振系數(shù);

XL5——串接線圈的感抗值;

XC5——容抗值。

如果補(bǔ)償電容器的容量按組數(shù)平均分配,式(3)中的容抗值應(yīng)是每組每相的容抗值,否則就取容量最小的每組每相的容抗值,因?yàn)殡姼芯€圈感抗值與每組電容器的容抗值之比滿足Kxs≥2.0,其他電容器組投入運(yùn)行均能達(dá)到要求。無(wú)功補(bǔ)償電容器按容量平均分為四組,每組每相的容抗值為

XC11=4ZA=4×0.856=3.424Ω

在5次諧波分量的作用下,各支路的串接電感線圈的感抗值為

XL5=2.0XC5=2.0×(3.424/5)=1.369Ω

電容器支路呈現(xiàn)感性阻抗為

ZL5=XL5-XC5=1.369-0.684=0.685Ω

系統(tǒng)短路等值阻抗為

ZT5=0.016×5=0.08Ω

流入系統(tǒng)中的5次諧波電流為

流入電容器中的5次諧波電流為

從上述計(jì)算結(jié)果可知,在補(bǔ)償電容器組中適當(dāng)串接一個(gè)電感線圈,使其電容器回路呈現(xiàn)感性阻抗,可有效地抑制諧波電流被放大。對(duì)于5次以上諧波電流,同樣起到抑制作用。補(bǔ)償電容器組與電感線圈接線方式如圖5所示。

對(duì)于Y,yno接線方式的變壓器,因用電負(fù)荷產(chǎn)生的3次諧波電流及三相負(fù)荷不對(duì)稱產(chǎn)生的零序電流,它們除頻率不同外,其三相電流相位一致,通過(guò)變壓器二次側(cè)繞組與中性線形成回路,并在變壓器鐵心中產(chǎn)生3次諧波磁通和零序磁通,其在三相鐵心磁柱中無(wú)法形成閉合回路,勢(shì)必通過(guò)固定鐵心的附件、絕緣油(空氣)及油箱壁進(jìn)行流通,引起渦流損耗,造成局部溫度升高,加速絕緣老化,增加損耗,直接威脅變壓器的運(yùn)行。因變壓器一次側(cè)繞組無(wú)中性線引出,故一次側(cè)繞組中無(wú)3次諧波電流,其中包括3次冪指數(shù)諧波電流和零序電流。故Y,yno接線方式的變壓器無(wú)法抑制3次諧波電流和零序電流所產(chǎn)生的磁通。

圖5　補(bǔ)償電容器組與電感線圈接線方式

若將變壓器Y,yno接線方式更改為D,yn11接線方式,則3次諧波電流及零序電流可在三角形繞組中形成環(huán)流并在鐵心中產(chǎn)生磁通,對(duì)原有的3次諧波磁通和零序磁通起到去磁作用,且削弱了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),減小了渦流損耗,主磁通電動(dòng)勢(shì)波形接近于正弦波形。故變壓器D,yn11接線方式可有效地抑制3次冪指數(shù)諧波分量和零序分量,減少了變壓器額外損耗,提高了變壓器運(yùn)行的可靠性。

4結(jié)語(yǔ)

在補(bǔ)償電容器組回路中串接一個(gè)電感線圈,有效地抑制了諧波電流被放大。經(jīng)改造后發(fā)現(xiàn),在運(yùn)行的一年多時(shí)間里,補(bǔ)償電容器組再未出現(xiàn)過(guò)高溫現(xiàn)象。將變壓器Y,yno接線方式更改為D,yn11接線方式,可有效地抑制3次冪指數(shù)諧波分量和零序分量,保證了電容器組的安全運(yùn)行。

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王維軍(1976—),男,從事建筑電氣工程技術(shù)應(yīng)用方面的研究。

Discussion about Measures of Suppress Harmonic Current Amplification for Reactive Power CompensationLIJun1,2,TIANZhengqi1,2,ZHOUChao1,2,JIFeng1,2,ZHOUHeping3

(1.Electric Power Research Institute of Jiangsu Province Electric Power Company, Nanjing 211103, China;

2.Key Laboratory of Electric Energy Measurement of State Grid Power Company, Nanjing 211103, China;

3.Holley Metering Group Co., Ltd., Hangzhou 310023, China)

Abstract：Generated electricity load harmonic current,flowing through the system equivalent inductive impedance and capacitive reactive power compensation capacitor group formed parallel circuit,the branch of harmonic current is amplified,a direct threat to the safe operation of the capacitor group.To solve this problem,in the circuit of capacitor bank on received a certain amount of value of inductance coil,under the action of each harmonic,the loop impedance is inductive,effectively limits the current harmonics,and received good results.

Key words:harmonic current; compensating capacitor; star connection; technical measures

收稿日期：2015-04-13

中圖分類號(hào)：TU 852

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-8417(2015)06-0042-04