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并聯(lián)電容器與諧波的相互影響及解決措施
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作者:champzon
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發(fā)布時間: 3046天前
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隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用使大量諧波注入電網(wǎng)，在影響電能質(zhì)量的同時也給相應(yīng)的電氣設(shè)備帶來了不同程度的危害。
隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用使大量諧波注入電網(wǎng)，在影響電能質(zhì)量的同時也給相應(yīng)的電氣設(shè)備帶來了不同程度的危害。并聯(lián)電容器可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓，提高系統(tǒng)的無功及功率因數(shù)，從而提高電網(wǎng)的傳輸能力。隨著電網(wǎng)的更新?lián)Q代，越來越多的并聯(lián)電容器被投運到電網(wǎng)中來，并由于其對諧波的放大作用，使得電網(wǎng)諧波問題越來越嚴(yán)重，既影響了網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，又增加了電力網(wǎng)絡(luò)的損耗。因此在存在高次諧波的變電站系統(tǒng)中，我們必須弄清楚諧波問題產(chǎn)生的來龍去脈，并采取一定措施來抑制諧波的放大，以提高電力網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
1、諧波對電容器的影響
在諧波電壓作用下，由于電容器會產(chǎn)生附加的功率損耗，所以絕緣介質(zhì)加速老化。更嚴(yán)重的是，大量諧波電流會增大電容器電流的有效值，加大溫升，從而減短電容器的使用壽命，直至損壞電容器。當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波時，電容電流有效值和電容器輸出無功容量的增長比電壓有效值的增長要快，當(dāng)諧波次數(shù)較高時，這種情況將更為明顯。電網(wǎng)中的諧波電流以5次、7次、l1次、13次為主，其他次的諧波則相對較小。國際電工委員會規(guī)定了對電容器過載能力的判斷標(biāo)準(zhǔn)：在電壓有效值不超過1．1，電流有效值不超過1．3時可連續(xù)運行。電容器對諧波次數(shù)和諧波電壓畸變率的改變相當(dāng)敏感，系統(tǒng)發(fā)生諧振時，電容器可能產(chǎn)生較大過負(fù)荷電流，損壞電容器。另外，諧波還會引起電容器端電壓有效值及電壓峰值升高。尖頂波電壓易誘發(fā)局部放電，電容器的局部放電性能一般由2個參數(shù)來表征，即起始放電場強(qiáng)和局部熄滅場強(qiáng)。如果其實放電場強(qiáng)和局部熄滅場強(qiáng)都很高，則電容器的性能就好。當(dāng)電容器的工作場強(qiáng)高于局部放電熄滅場強(qiáng)時，在過電壓下所發(fā)生的局部放電就可能在工作場強(qiáng)下不會熄滅，從而形成長時期的局部放電，必然損壞電容器。
2并聯(lián)電容器對諧波的影響
在電力系統(tǒng)中，作為無功補償裝置并聯(lián)電容器得到了廣泛的應(yīng)用，但是其由于諧波阻抗小，可能會產(chǎn)生更高次的諧波畸變，對系統(tǒng)及其他電氣設(shè)備造成危害，也可能使電容器在諧波過電壓作用下?lián)p壞。除此之外，電容器的使用可能會嚴(yán)重放大系統(tǒng)諧波，甚至發(fā)生諧振使電容器無法正常工作，并危及附近其他用電設(shè)備的安全。
(1)并聯(lián)電容器不僅會使系統(tǒng)等效諧波阻抗呈容性，而且能改變系統(tǒng)諧波阻抗的頻率特性，甚至可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使等效諧波阻抗達(dá)到最大值。
(2)放大諧波電流。電力系統(tǒng)中的諧波源通常是電流源，其內(nèi)阻抗非常大，當(dāng)外阻抗發(fā)生變化時電流值不變。設(shè)諧波源的n次諧波電流為，n，進(jìn)入電容器的諧波電流為，進(jìn)入電網(wǎng)的諧波電流為。此時，電力系統(tǒng)感抗與電容器容抗相并聯(lián)的阻抗作為諧波源的~'I-N抗。如果諧波次數(shù)不同，進(jìn)入電網(wǎng)和電容器的諧波電流的分配也將不同，可能出現(xiàn)L<L，也可能出現(xiàn)，<。當(dāng)L<L時，稱為電容器諧波電流放大；當(dāng)厶<，和厶<同時出現(xiàn)時，稱為諧波電流嚴(yán)重放大。設(shè)電力系統(tǒng)的基波等值阻抗為五=RX，則n次諧波的阻抗為Z通常R<則可以忽略不計。在供電系統(tǒng)中，并聯(lián)電容器作為無功補償?shù)挠秒娫O(shè)備，其對于某次諧波若與系統(tǒng)感抗發(fā)生并聯(lián)諧振，則可能出現(xiàn)過電壓而造成危害。
3諧波問題的解決
諧波問題的解決可從2方面入手，一方面為采用預(yù)防性措施，即避免諧波及其后果的出現(xiàn)，另一方面為采用補救性技術(shù)，即克服既存諧波問題。要想確保諧波標(biāo)準(zhǔn)得以全面有效執(zhí)行，必須研究有效的諧波治理措施，其中包括：(1)限制諧波源諧波含量；(2)提高各種供用電設(shè)備的抗諧波能力，即抑制諧波放大。
3．1限制諧波源諧波含量
通過對諧波源采取措施，最大限度地避免諧波產(chǎn)生，從而提高電網(wǎng)質(zhì)量，可采取的具體措施有：
(1)增加整流器的脈沖數(shù)。整流器是電網(wǎng)主要諧波源，其產(chǎn)生的特征諧波可表示為：
各次諧波電流值為：
從式(1)、(2)可知，隨著脈沖數(shù)P的增加，裝置輸出的諧波次數(shù)n也相應(yīng)增大，而n次諧波電流將減少。
(2)脈寬調(diào)制法。采用PWM技術(shù)的實質(zhì)就是在所需頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成幅值相等但不等寬的系列交流電壓輸出脈沖，把需要消除的諧波幅值調(diào)制為0、基波幅值為給定量，這樣就可以消除指定諧波并控制基波幅值。
(3)抑制高次諧波最基本的方法，即三相整流變壓器及電力變壓器采用A／Y或y／A的接線方式。這種接線方式可使3n(n為正整數(shù))次諧波電流在△接線的一次繞組中形成環(huán)流，不致使諧波注入公芡電網(wǎng)。
3．2抑制諧波放大
并聯(lián)電容器存一定參數(shù)下會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。通常給并聯(lián)電容器串接一定電抗器，改變其與系統(tǒng)阻抗的諧振點，以避免諧振。為此，電感量應(yīng)滿足一>0的條件，即：
滿足式(3)條件時，電容支路的諧波阻抗呈感性，諧波放大現(xiàn)象得到了抑制。對不同電網(wǎng)背景下的諧波抑制，應(yīng)根據(jù)情況選取不同的電抗率來配置。要合理選取電抗率，必須了解電容裝置接入處母線的背景諧波，再根據(jù)實測結(jié)果選取，使電容器與串聯(lián)電抗器得到正確匹配。
(1)若電容裝置接入處的背景諧波為3次，且含量已接近或超出標(biāo)準(zhǔn)時，宜選用12％串聯(lián)電抗器。
(2)若電容裝置接入處的背景諧波以3次、5次為主，且兩者含量均較大(其中之一已接近或超過標(biāo)準(zhǔn)時)，宜采用4．5％～6％與12％兩種電抗率混裝方式，但要以保證抑制3次諧波放大為主。該方案與全部串聯(lián)12％的方案相比，其優(yōu)點是可降低無功與有功損耗，不足之處是投切程序必須先投12％的電容器組，再投低電抗率的電容器組，切除則相反。
(3)若電容裝置接入處的背景諧波以3次、5次為主，且3次諧波含量較小，5次諧波含量已超過或接近標(biāo)準(zhǔn)，宜采用5％～6％串聯(lián)電抗器。
(4)若電容裝置接入處的背景諧波為5次及以上，H5次諧波含量較大，宜選用6％串聯(lián)電抗器。
(5)若電容裝置接入處的背景諧波以3次為主，5次及以上諧波含量較小，且經(jīng)驗算電容裝置投入后3次諧波有所放大，但未超標(biāo)且有裕度，應(yīng)選用0．1％～1％串聯(lián)電抗器。
(6)若電力系統(tǒng)中含有多種諧波成分，且都具有較大含量，則選用串聯(lián)電抗器應(yīng)使電容器支路對于在較大含量的各次諧波中的最低次諧波總阻抗呈感性，此時該電容器支路對于較大含量的各次諧波均不會產(chǎn)生放大作用。
4結(jié)語
諧波對變電站及其他電力系統(tǒng)供電設(shè)備的影響已引起了社會的廣泛關(guān)注，解決諧波問題、提高電能質(zhì)量成為電力企業(yè)當(dāng)前面臨的重大課題。電力系統(tǒng)中，諧波對并聯(lián)電容器的運行影響較大，高次諧波會導(dǎo)致電容器過電流和過負(fù)荷，使電容器發(fā)熱、絕緣老化，從而縮短電容器的使用壽命；而并聯(lián)電容器也會引起系統(tǒng)諧波阻抗特性的改變和諧波電流的放大，對電容器本身及其附近的電氣設(shè)備造成威脅。對諧波的抑制可以在對大容量非線性負(fù)荷用戶加強(qiáng)管理的同時采取措施降低諧波源諧波含量，也可以通過在電容器回路中串接電抗率合適的電抗器等來限制系統(tǒng)諧波對并聯(lián)電容器的不利影響。對諧波污染較嚴(yán)重的地區(qū)，并聯(lián)電容器還可裝設(shè)具有諧波監(jiān)視分析和諧波保護(hù)功能的裝置，以確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行。
1、諧波對電容器的影響
在諧波電壓作用下，由于電容器會產(chǎn)生附加的功率損耗，所以絕緣介質(zhì)加速老化。更嚴(yán)重的是，大量諧波電流會增大電容器電流的有效值，加大溫升，從而減短電容器的使用壽命，直至損壞電容器。當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波時，電容電流有效值和電容器輸出無功容量的增長比電壓有效值的增長要快，當(dāng)諧波次數(shù)較高時，這種情況將更為明顯。電網(wǎng)中的諧波電流以5次、7次、l1次、13次為主，其他次的諧波則相對較小。國際電工委員會規(guī)定了對電容器過載能力的判斷標(biāo)準(zhǔn)：在電壓有效值不超過1．1，電流有效值不超過1．3時可連續(xù)運行。電容器對諧波次數(shù)和諧波電壓畸變率的改變相當(dāng)敏感，系統(tǒng)發(fā)生諧振時，電容器可能產(chǎn)生較大過負(fù)荷電流，損壞電容器。另外，諧波還會引起電容器端電壓有效值及電壓峰值升高。尖頂波電壓易誘發(fā)局部放電，電容器的局部放電性能一般由2個參數(shù)來表征，即起始放電場強(qiáng)和局部熄滅場強(qiáng)。如果其實放電場強(qiáng)和局部熄滅場強(qiáng)都很高，則電容器的性能就好。當(dāng)電容器的工作場強(qiáng)高于局部放電熄滅場強(qiáng)時，在過電壓下所發(fā)生的局部放電就可能在工作場強(qiáng)下不會熄滅，從而形成長時期的局部放電，必然損壞電容器。
2并聯(lián)電容器對諧波的影響
在電力系統(tǒng)中，作為無功補償裝置并聯(lián)電容器得到了廣泛的應(yīng)用，但是其由于諧波阻抗小，可能會產(chǎn)生更高次的諧波畸變，對系統(tǒng)及其他電氣設(shè)備造成危害，也可能使電容器在諧波過電壓作用下?lián)p壞。除此之外，電容器的使用可能會嚴(yán)重放大系統(tǒng)諧波，甚至發(fā)生諧振使電容器無法正常工作，并危及附近其他用電設(shè)備的安全。
(1)并聯(lián)電容器不僅會使系統(tǒng)等效諧波阻抗呈容性，而且能改變系統(tǒng)諧波阻抗的頻率特性，甚至可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使等效諧波阻抗達(dá)到最大值。
(2)放大諧波電流。電力系統(tǒng)中的諧波源通常是電流源，其內(nèi)阻抗非常大，當(dāng)外阻抗發(fā)生變化時電流值不變。設(shè)諧波源的n次諧波電流為，n，進(jìn)入電容器的諧波電流為，進(jìn)入電網(wǎng)的諧波電流為。此時，電力系統(tǒng)感抗與電容器容抗相并聯(lián)的阻抗作為諧波源的~'I-N抗。如果諧波次數(shù)不同，進(jìn)入電網(wǎng)和電容器的諧波電流的分配也將不同，可能出現(xiàn)L<L，也可能出現(xiàn)，<。當(dāng)L<L時，稱為電容器諧波電流放大；當(dāng)厶<，和厶<同時出現(xiàn)時，稱為諧波電流嚴(yán)重放大。設(shè)電力系統(tǒng)的基波等值阻抗為五=RX，則n次諧波的阻抗為Z通常R<則可以忽略不計。在供電系統(tǒng)中，并聯(lián)電容器作為無功補償?shù)挠秒娫O(shè)備，其對于某次諧波若與系統(tǒng)感抗發(fā)生并聯(lián)諧振，則可能出現(xiàn)過電壓而造成危害。
3諧波問題的解決
諧波問題的解決可從2方面入手，一方面為采用預(yù)防性措施，即避免諧波及其后果的出現(xiàn)，另一方面為采用補救性技術(shù)，即克服既存諧波問題。要想確保諧波標(biāo)準(zhǔn)得以全面有效執(zhí)行，必須研究有效的諧波治理措施，其中包括：(1)限制諧波源諧波含量；(2)提高各種供用電設(shè)備的抗諧波能力，即抑制諧波放大。
3．1限制諧波源諧波含量
通過對諧波源采取措施，最大限度地避免諧波產(chǎn)生，從而提高電網(wǎng)質(zhì)量，可采取的具體措施有：
(1)增加整流器的脈沖數(shù)。整流器是電網(wǎng)主要諧波源，其產(chǎn)生的特征諧波可表示為：
各次諧波電流值為：
從式(1)、(2)可知，隨著脈沖數(shù)P的增加，裝置輸出的諧波次數(shù)n也相應(yīng)增大，而n次諧波電流將減少。
(2)脈寬調(diào)制法。采用PWM技術(shù)的實質(zhì)就是在所需頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成幅值相等但不等寬的系列交流電壓輸出脈沖，把需要消除的諧波幅值調(diào)制為0、基波幅值為給定量，這樣就可以消除指定諧波并控制基波幅值。
(3)抑制高次諧波最基本的方法，即三相整流變壓器及電力變壓器采用A／Y或y／A的接線方式。這種接線方式可使3n(n為正整數(shù))次諧波電流在△接線的一次繞組中形成環(huán)流，不致使諧波注入公芡電網(wǎng)。
3．2抑制諧波放大
并聯(lián)電容器存一定參數(shù)下會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。通常給并聯(lián)電容器串接一定電抗器，改變其與系統(tǒng)阻抗的諧振點，以避免諧振。為此，電感量應(yīng)滿足一>0的條件，即：
滿足式(3)條件時，電容支路的諧波阻抗呈感性，諧波放大現(xiàn)象得到了抑制。對不同電網(wǎng)背景下的諧波抑制，應(yīng)根據(jù)情況選取不同的電抗率來配置。要合理選取電抗率，必須了解電容裝置接入處母線的背景諧波，再根據(jù)實測結(jié)果選取，使電容器與串聯(lián)電抗器得到正確匹配。
(1)若電容裝置接入處的背景諧波為3次，且含量已接近或超出標(biāo)準(zhǔn)時，宜選用12％串聯(lián)電抗器。
(2)若電容裝置接入處的背景諧波以3次、5次為主，且兩者含量均較大(其中之一已接近或超過標(biāo)準(zhǔn)時)，宜采用4．5％～6％與12％兩種電抗率混裝方式，但要以保證抑制3次諧波放大為主。該方案與全部串聯(lián)12％的方案相比，其優(yōu)點是可降低無功與有功損耗，不足之處是投切程序必須先投12％的電容器組，再投低電抗率的電容器組，切除則相反。
(3)若電容裝置接入處的背景諧波以3次、5次為主，且3次諧波含量較小，5次諧波含量已超過或接近標(biāo)準(zhǔn)，宜采用5％～6％串聯(lián)電抗器。
(4)若電容裝置接入處的背景諧波為5次及以上，H5次諧波含量較大，宜選用6％串聯(lián)電抗器。
(5)若電容裝置接入處的背景諧波以3次為主，5次及以上諧波含量較小，且經(jīng)驗算電容裝置投入后3次諧波有所放大，但未超標(biāo)且有裕度，應(yīng)選用0．1％～1％串聯(lián)電抗器。
(6)若電力系統(tǒng)中含有多種諧波成分，且都具有較大含量，則選用串聯(lián)電抗器應(yīng)使電容器支路對于在較大含量的各次諧波中的最低次諧波總阻抗呈感性，此時該電容器支路對于較大含量的各次諧波均不會產(chǎn)生放大作用。
4結(jié)語
諧波對變電站及其他電力系統(tǒng)供電設(shè)備的影響已引起了社會的廣泛關(guān)注，解決諧波問題、提高電能質(zhì)量成為電力企業(yè)當(dāng)前面臨的重大課題。電力系統(tǒng)中，諧波對并聯(lián)電容器的運行影響較大，高次諧波會導(dǎo)致電容器過電流和過負(fù)荷，使電容器發(fā)熱、絕緣老化，從而縮短電容器的使用壽命；而并聯(lián)電容器也會引起系統(tǒng)諧波阻抗特性的改變和諧波電流的放大，對電容器本身及其附近的電氣設(shè)備造成威脅。對諧波的抑制可以在對大容量非線性負(fù)荷用戶加強(qiáng)管理的同時采取措施降低諧波源諧波含量，也可以通過在電容器回路中串接電抗率合適的電抗器等來限制系統(tǒng)諧波對并聯(lián)電容器的不利影響。對諧波污染較嚴(yán)重的地區(qū)，并聯(lián)電容器還可裝設(shè)具有諧波監(jiān)視分析和諧波保護(hù)功能的裝置，以確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行。
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