浅析实际应用中的谐波改善和无功补偿

【摘要】通常情况下,当线路上装设有改善功率因数用的电容器时会造成特殊问题: 在谐波频率下,电容器组及电路上的电感会形成并联共振电路,造成谐波放大,导致电压畸变,因此电容器组不适合大部分的引用场合,谐波滤波是消除电力系统谐波畸变的最佳方法,同时系统所需的无功功率而改善功率因数。

【关键词】谐波谐振谐波滤波无功补偿

1、谐波产生

交流电网中, 由于许多非线性电气设备的投入运行, 其电压、电流波形实际上不是完全的正弦波形, 而是不同程度畸变的非正弦波。根据傅里叶级数分析, 可分解成基波分量和具有基波分量整数倍的谐波分量。

用户向公共电网注入谐波电流或在公共电网中产生谐波电压的电气设备, 统称为谐波源。谐波主要由谐波电流源产生, 当正弦基波电压施加于非线性设备时, 设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流因而发生了畸变, 由于负荷与电网相连, 故谐波电流注入到电网中, 这些设备就成为电力系统的谐波源。

电力系统中的主要谐波源可分为两类:

1. 1 含半导体的非线性元件, 如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM 变频器等节能和控制用的电力电子设备。

1. 2 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源, 如荧光灯、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备等。

2、谐波危害

非线性电气设备产生谐波电流――这是事实甚至连隔离变压器和整流电抗都不能改变。一方面谐波电流导致电压谐波, 另一方面, 这些谐波电流本身就是网络上一个附加的负荷, 发生谐振且谐波电流振荡放大并导致一个更高的负荷是尤其危险的。

电压畸变加在与电网连接的所有电气设备上造成电动机、变压器、开关设备和电缆的过热, 大大加速绝缘老化, 产品寿命大大降低, 有的电气设备因电压畸变会产生较强的听觉噪声, 而电压畸变灵敏的电子保护、控制和脉动控制系统, 造成动作异常, 使通信线路、信息线路产生噪声, 甚至造成故障。谐波电流引起的电气设备及配电线路过载导致短路, 甚至引发火灾的事件屡有发生。

现行最新国家标准GB/T 16895.15-2002《布线系统载流量》第523.5.3条,由于三相回路中存在显著谐波电流,因而产生了不平衡电流,假如谐波电流大于10%,中性线导体不应小于相导体。附录C给出了谐波电流的热效应和存在高次谐波电流的降低系数。当相电流中三次谐波分量≥33%基波分量时,就应按中性线电流来选择导体的截面。

目前,谐波、电磁干扰和功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。

3、基本概念

4、谐波改善

了解谐波产生的机理, 研究消除供配电系统中的谐波问题对改善供电质量和确保电力系统的安全经济运行有着非常积极的意义。

减少谐波影响应对谐波源本身或在其附近采取适当的技术措施, 实际技术措施的选择要根据达标的水平、效果、经济性和技术成熟度等综合比较后确定。

谐波滤波是消除电力系统谐波畸变的最佳方法, 同时提供系统所需的无功功率而改善功率因数。谐波滤波器回路由电容器串联谐波电抗器组成。

谐波滤波器中的电容器容量依据在基波频率时, 系统所需的无功功率而设计。

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式中

Qc――补偿电容器的容量, kvar；

Pc――系统的有功功率, kW；

tgø1――补偿前计算负荷功率因数角的正切值;

tgø2――补偿后功率因数角的正切值。

而电抗器的电感值选择依据是被选定与电容器串联谐振,对谐波形成低阻抗电路,而能吸收大部分的谐波电流,改善系统的谐波电压畸变率。串联谐振电路谐振频率必须低于系统可能出现的最低次谐波。如果3次谐波是系统中最低次谐波,则必须选择小于150Hz的谐振频率,如果5次谐波是系统中最低次谐波,则必须选择小于250Hz的谐振频率。串联谐振电路在高于它的谐振频率时为感性的,这意味着它不再可能激活任何谐振,而在低于它的谐振频率时谐振电路是容性的,并且能用来补偿无功功率。

根据式(9),如果系统中存在的最低次谐波是3次谐波(150Hz),可以选择12%电抗器；如果系统中存在的最低次谐波是5次谐波(250Hz),可以选择4%电抗器。

串联电抗器的电抗率选择,GB50227-1995《并联电容器装置设计规范》第5.5.2 条规定如下:

用于抑制谐波,当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时,宜取4.5%~6%[GB50277-1995条文说明5.5.21.指出6%的电抗器有明显放大3次谐波作用, 因此在抑制5次及以上谐波,同时又要兼顾减少对3次谐波的放大,电抗率可选用4.5%]；当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次及以上时,宜取12%；亦可采用4.5%~6%与12%两种电抗率[条文说明5.5.22.指出当电网背景谐波为3次及以上时, 采用两种电抗率进行组合的条件是电容器组数较多,为了节省投资和减少电抗器消耗的容性无功]。由式(9)计算得出的值与GB50227-1995条文规定完全一致。

在由滤波电抗器和电容器组成的串联电路中,在电抗器上存在着一个电压降, 它导致加到电容器上的电压升高。电抗率越高,电压增加越大。接入串联电抗器引起的电容器端子运行电压可根据GB50227-1995第5.2.2条所给公式计算,公式如下:

(11)

式中

Uc――电容器端子运行电压, kV；

Us――并联电容器装置的母线电压, kV；

S――电容器组每相的串联段数；

K――电抗率。

对于低压并联电容器或电容器组,可采用三角形接线或中性点不接地的星形接线方式,通常采用三角形接线,因此有

(12)

上述计算式中1.1的取值是:电网最高运行电压一般不超过标称电压的1.07倍, 最高为1.1倍。所以在实际应用中,电抗性补偿系统需要使用额定电压至少为440V 的电容器,在14%电抗补偿系统里则为525V。

另外,使用较高额定电压的电容器则在将来负载会产生谐波时,仅需增设电抗器而不需更换电容器组。

通常如不采取措施,电容器组周围温度可能会超出其允许的最高温度上限值,建议在电容补偿柜内加设冷却风扇。还要注意的是,在采用调谐式或滤波电抗器的地方,一定要使用强迫冷却方式,因为与电容器相比,电抗器会产生更大的热量。

5、案例

笔者曾协助解决过一个案例,在一个刚投入使用不久的工厂低压配电柜内,发现许多电容器组因过热而损坏,更换后又多次发生损坏现象，经检查自动功率因素控制器投切电容器组工作又是正常的。

因为工厂装有变频调速器，怀疑是变频器等电子设备运行时产生的高次谐波所致。为了找出损坏的原因,于是对谐波进行了测量。发现当两组40kvar电容器投入后,出现了比较严重的并联谐振,将奇次（3~11次）的谐波(变频器等产生的)放大到2~6倍,同时THDU也增大到8~14.%左右(GB/T14594――1993《电能质量公用电网谐波》之规定是5.0%)。于是重新设计了无功补偿系统,笔者采用在原电容器回路中串联带7%电容量电抗器后。发现装上该项电抗器组后,无论投入几段电容器组皆可避免谐振,而且也不会放大任何谐波电流。

6、结论

通常情况下,当线路上装设有改善功率因数用的电容器时会造成特殊的问题:在谐波频率下,电容器组及电路上的电感会形成并联共振电路,造成谐波放大,导致电压畸变,因此电容器组不适合大部分的引用场合。谐波滤是消除电力系统谐波畸变的最佳方法,同时提供系统所需的无功功率而改善功率因数。

由大部分案例中可发现,公共电网谐波畸变水平达到临界值之前,谐波问题便已明显地出现在工业工厂或商业用户中。在用户系统中,若使用不串接电抗器之电容器组便易造成谐振情况,则装有电容器组的母线上将导致高压畸变。用户设备中一些诸如电动机过热、变压器过热及电子设备误动作的事情都会发生。因此对电力用户而言,迫切需要的是了解可能发生谐波问题,并妥善处理,使谐波畸变限制在合理范围内。

无论何时,设计无功补偿时,谐波问题均需铭记在心。只要妥善设计,谐振情况便可避免,同时注入电网之谐波量也会符合国家标准。

计算机仿真计算可针对各种不同电网情况进行快速分析,其输出结果也可当作设计的依据。无论如何,现场的测量不但可以提供可贵的谐波信息,并可当作计算机仿真的输入值,或者可用来验证计算结果之准确性。

7、结束语

当今滤波技术日新月异发展,有源滤波器――一种主动式的新型的抑制谐波技术,可并联于电网的任意点,自动实时检测谐波电流并输出大小相同相位相反的谐波电流,因此电网仅提供负荷基波电流。由于采用自适应方式工作,所以不必调整它适合于某一特定的谐波。电压源型有源滤波装置除了消除谐波电流,还可以产生超前的无功电流,以改善电力系统的功率因数。可以说,有源滤波器正代表着一种方向和趋势,只是由于造价较高,目前还只用于较小容量的谐波源的补偿。