引言

隨著(zhù)電力電子技術(shù)的廣泛應用與發(fā)展，供電系統中增加了大量的非線(xiàn)性負載，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)性負荷，如電弧爐、大型軋鋼機、電力機車(chē)等，它們在運行中不僅會(huì )產(chǎn)生大量的高次諧波，而且會(huì )使電壓波動(dòng)、閃變、三相不平衡日趨嚴重。這不僅會(huì )導致 供用電設備本身的安全性降低，而且會(huì )嚴重削弱和干擾電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，形成了對電網(wǎng)的“公害”。 在并聯(lián)電容器裝置接入母線(xiàn)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。

我們在許多工礦企業(yè)中，經(jīng)常遇到這樣的情況，無(wú)功功率補償裝置(電容器直接補償)投入后，供電設備中的電器件(包括變壓器、電抗器、電容器、自動(dòng)開(kāi)關(guān)、接 觸器、繼電器)經(jīng)常損壞，這就是諧波電流被電容器直接補償引起的諧波放大后而造成的。許多企業(yè)采用電容器串接電抗器的無(wú)功補償方式來(lái)回避諧波，但是由于不 清楚電抗值的計算方法，不僅達不到理想補償效果，反而造成了諧波放大。一些企業(yè)選用了無(wú)源濾波器，但由于沒(méi)有對電網(wǎng)參數精確測算，投入運行后不能正常運 行。由于電抗器高次諧波電流含量與電網(wǎng)諧波源狀況、阻抗參數和電容器裝置回路阻抗參數有關(guān)，因此在實(shí)際應用中電抗率的取值是不同的。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(xiàn)處的諧波背景。文章著(zhù)重就串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用展開(kāi)分析，并提出電抗率的選擇方法。

1 諧波的產(chǎn)生及其主要構成成分

諧波產(chǎn)生的原因是多種多樣的，但電網(wǎng)諧波的主要構成并不復雜。電網(wǎng)諧波是指基波的整數倍的高次波，即2、3、4、5……次諧波。各次諧波中，偶次諧波是由 于信號正負半周的不對稱(chēng)所形成的，而電網(wǎng)中電流正負半周的不對稱(chēng)的情況不常見(jiàn)，因此偶次諧波的含量很小。在三相系統中，3、6、 9……等3 的整數次諧波的相位相同，在三相三線(xiàn)的系統中不能流通，在三相補償電容器中也不能流通。只要不是分相補償就不需要考慮3 的整數次諧波的影響。在輸電、工業(yè)、電力電子等場(chǎng)合一般有以下幾種情況：

(1)在多數情況下，諧波是由非線(xiàn)性負荷產(chǎn)生的，主要是整流濾波，它在電網(wǎng)中產(chǎn)生PN次諧波，P是一個(gè)周期內整流形成的直流波頭數，N是自然數，三相整流最低諧波次數是5 次。

(2)在中頻爐、變頻器等逆變類(lèi)負荷中，逆變頻率與電網(wǎng)頻率無(wú)關(guān)，會(huì )產(chǎn)生頻率并不是基波的整數倍諧波，有人稱(chēng)其為分數次諧波。但這些諧波被整流濾波電路隔離不會(huì )直接反饋到電網(wǎng)中去。

(3)在電弧爐、電解鋁、氯堿廠(chǎng)等大型沖擊性不對稱(chēng)負荷中，雖然諧波的成分非常復雜且含量很大，但由于其工作的間斷性產(chǎn)生的諧波多為間諧波，特點(diǎn)是持續時(shí)間短，頻譜雜亂，疊加后形成白噪聲。這類(lèi)諧波可以通過(guò)在諧波負載前加裝低通濾波器進(jìn)行治理。

(4)電力機車(chē)是人們公認的諧波源，但電力機車(chē)主要形成的是陷波和不平衡負載，通過(guò)Y/△接線(xiàn)的變壓器后3 的倍數次諧波被隔離，注入電網(wǎng)的諧波成分與逆變類(lèi)負荷一樣，所以電網(wǎng)諧波的主要成分是5、7、11、13、17、19……次諧波。

2 諧波在無(wú)功補償中的危害

電網(wǎng)諧波與無(wú)功補償中并聯(lián)電容器的運行有較大的關(guān)系，因為電容器可能使電網(wǎng)中的諧波電流放大，有時(shí)甚至在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振，使電器設備受到嚴重損壞，破壞電 網(wǎng)的正常運行。諧波放大時(shí)，大量的諧波電流在電網(wǎng)與補償電容之間往復交換，使包括變壓器及電容器等電網(wǎng)上的設備出現過(guò)載并產(chǎn)生機械振動(dòng)，釋放大量的熱量， 加快損耗設備的同時(shí)也使電網(wǎng)正常運行的可靠性大大降低。所以諧波放大是動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補償設計中要考慮的首要問(wèn)題。在供電系統中作為無(wú)功補償用的并聯(lián)電容 器，對于某次諧波若與呈感性的系統電抗發(fā)生并聯(lián)諧振，則可能出現過(guò)電壓而造成危害。過(guò)大的諧波電流可能使電容器壽命縮短、鼓肚、熔絲、群爆甚至燒損。

電壓波形發(fā)生畸變，就意味著(zhù)它的波形變成非正弦波，由于這種非正弦波是周期性的，所以可用數學(xué)分析方法的傅立葉級數表達式將它分解為基波和各種倍數頻率的 高次諧波。在一般的配電網(wǎng)當中，對諧波進(jìn)行抑制是很有必要的，實(shí)際中應用的方法主要使用串聯(lián)電抗的無(wú)功補償電容組。相當于電容串聯(lián)一個(gè)電抗，從而消除由于 電路對其中的諧波呈容性而帶來(lái)的諧波振蕩及放大。

3 電抗對諧波的抑制作用

一般情況下，作為諧波源負載的無(wú)功補償裝置對諧波呈容性時(shí)必然引起諧波放大，必須用帶消諧的無(wú)功補償裝置。

L-C濾波器的諧振頻率為fn，在工頻狀態(tài)下，濾波器呈容性，無(wú)功補償裝置用于補償電網(wǎng)系統的感性無(wú)功功率。而對頻率為f的諧波有以下兩種情況：

當f

當f>fn時(shí)，濾波器呈感性，該濾波器對頻率為f的諧波起濾波作用。濾波效果取決于f和fn的接近程度，如果f=fn濾波器呈很小的阻抗，幾乎所有的諧波量都被濾波器吸收，而不流入電網(wǎng)。

4 電抗率的選擇

眾所周之，電網(wǎng)電壓流入電抗器后，對基波不會(huì )有大的影響，但對諧波來(lái)說(shuō)卻有較大的影響。這些非正弦波形可以用數學(xué)分析的方法分解成工頻的基波和各種倍數頻 率的諧波。但對電容器來(lái)講，一般不存在偶次倍數的諧波。因此主要考慮3、5、7、9、11、13等次諧波的影響。在這些高次諧波中以5次諧波最為顯著(zhù)。

設En為n次諧波源電動(dòng)勢;XB、XL分別為變壓器、電抗器的等值感抗;XC為電容器組的等值容抗;n為諧波次數;In為n次諧波總電流。

顯然，In=En/nXB+(nXL-XC/n) (1)

對于一般電路來(lái)說(shuō)，起主要作用的是3、5、7、11 等次諧波。在式(1)中，若使nXL-XC/n=0，

則當n=3時(shí)，XL=0.11XC

則當n=5時(shí)，XL=0.04XC

則當n=5時(shí)，XL=0.02XC

從式(1)可以看出，當nXL-XC/n>0即電容器組回路呈感性時(shí)，可使諧波電流減小，因此抑制諧波電流的電抗值應滿(mǎn)足nXL-XC/n>0的條件，又考慮到電抗值應有一定余量，工程上常取可靠系數為1.5，因此串聯(lián)電抗器的電抗值應按下式選?。?/span>

XL=aXC (2)

如限制5次諧波電流，則應?。?/span>

XL=1.5(0.04XC)=0.06XC

則：XL/XC=0.06

式中0.06為限制5次諧波電流時(shí)，電抗器工頻額定電抗XL與電容器工頻額定容抗XC的比值，稱(chēng)為電抗率，用字母K表示。

即：K= XL/XC (3)

在5次諧波時(shí)，由式(3)可知，電抗率K=6%時(shí)，才能補償支路的5次以上諧波電抗呈感性，才能有效地抑制高次諧波，并將合閘涌流限制在5倍額定電流左右。

綜上所述，對于額定頻率為50Hz和60Hz的電力系統中，無(wú)功補償裝置在不同場(chǎng)合的電抗率選擇如下：

XL=0.1%～1%·XC — 不考慮諧波影響，僅需抑制合閘涌流;

XL=4.5%～6%·XC — 限制5次以上高次諧波的影響;

XL=12%～13%·XC — 限制3次以上高次諧波的影響。

5 電抗率選擇的一般規律

(1)電容器裝置接入處的背景諧波為3次

1)3次諧波含量較小，可選擇0.1%～1%的串聯(lián)電抗器，但應驗算電容器裝置投入后3次諧波放大是否超過(guò)或接近國標限值，并且有一定的裕度;

2)3次諧波含量較大，已經(jīng)超過(guò)或接近國標限值，選擇12%或12%與4.5%～6%的串聯(lián)電抗器混合裝設。

(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)或接近國標限值)，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次諧波含量較小，選擇0.1%～1%的串聯(lián)電抗器，但應驗算電容器裝置投入后3次諧波放大是否超過(guò)或接近國標限值，并且有一定的裕度;

3)3次諧波含量較大，已經(jīng)超過(guò)或接近國標限值，選擇12%或12%與4.5%～6%的串聯(lián)電抗器混合裝設。

(3)電容器裝置接入處的背景諧波為5次及以上

1)5次諧波含量較小，應選擇4.5%～6%的串聯(lián)電抗器;

2)5次諧波含量較大，應選擇4.5%的串聯(lián)電抗器;

(4)對于采用0.1%～1%的串聯(lián)電抗器，要防止對5次、7次諧波的嚴重放大或諧振;對于采用4.5%～6%的串聯(lián)電抗器，要防止對3次諧波的嚴重放大或諧振。

6 結束語(yǔ)

本文分析了在電網(wǎng)系統中諧波的產(chǎn)生和構成成分，論述了諧波對電網(wǎng)系統的危害。進(jìn)而介紹帶串聯(lián)電抗器的無(wú)功補償對電網(wǎng)諧波具有抑制作用，分析、研究其電氣性 能，作出相關(guān)的設計和計算方法，給出了在不同場(chǎng)合中電抗率的選擇，在最后提供幾點(diǎn)在工程上的經(jīng)驗總結，給出電抗率選擇的一般規律。隨著(zhù)電力工業(yè)的迅速發(fā) 展，為節約能源，改善供電品質(zhì)，提高無(wú)功補償水平。在電容器組中采用串聯(lián)電抗器是一種行之有效的好辦法，這不僅能解決簡(jiǎn)單電容器補償的過(guò)流、過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題，也 可以解決多支路無(wú)源濾波器的過(guò)載問(wèn)題。對于已經(jīng)投運的電容器裝置，其串聯(lián)電抗器選擇是否合理需進(jìn)一步驗算，并組織現場(chǎng)實(shí)測，了解電網(wǎng)諧波背景的變化。要注 意現場(chǎng)應用條件，按現場(chǎng)條件與要求進(jìn)行設計才能達到預期的效果。

參考文獻

[1] GB/T 14549-93，電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S]

[2] 呂潤馀.電能質(zhì)量技術(shù)叢書(shū)第三分冊—電力系統高次諧波[M].北京：中國電力出版社，1998

[3] GB 50227-95，并聯(lián)電容器裝置設計規范[S]