电容器与电抗器匹配问题探讨

摘 要：随着工业生产规模的不断增加，对供电公司电力需求提出了更高的要求。然而，面对电容器组与电力系统发生的谐振，分析电容器与电抗器的匹配问题显得尤为重要。串联电抗器是无功补偿电容器的重要组成部分，若串联电抗器的电抗率选择不当，容易因谐波电流放大而严重影响电力设备的安全性和系统的稳定性。因此，本文对电容器与电抗器的匹配问题进行分析，以供参考。

关键词：串联电抗器；电容器；无功补偿；谐波电流；匹配问题

中图分类号：TM47，TM53 文献标识码：A

引言

在实际运行中，若串联电抗器的串抗率选择不当，容易因谐波问题发生保险熔断、爆炸等事故，这就要求在分析电容器组与电抗器的参数匹配问题时必须结合电容器现场实际情况，科学合理地选择串联电抗器的电抗率和电容器组等效串抗率，以保证电容器设备运行的安全性。

1 电容器对谐波电流放大的机理分析

电容器对谐波电流放大的理论分析如图1所示。其中，Xs代表电力系统等值基波短路电抗，h代表谐波次数，Ih代表第h次谐波电流，XL代表串联电抗器产生的基波电抗，而Xc代表电容器组产生的基波容抗。通过定义K=XL/Xc公式，K代表电容器组串联电抗器的电抗率，通过分析图1的电路图，可以发现当电容器支路中谐波容抗和感抗相等时，电路中串联电抗器第h次谐波将发生串联谐振，发生的谐振次数为：

（1）

在串联谐振下，电容器支路形成滤波回路，此时流经电力系统产生的谐波电流为0。然而，当电容器组支路产生的谐波阻抗与电力系统产生的谐波感抗相等时，电容器支路第h次谐波发生并联谐振，发生的谐振次数为：

（2）

从理论上分析，此时电容器中产生的谐波电流趋于无穷大，在实际运行中，电容器支路产生的谐波电流远远大于电力设备所能承受的有限制。另外，由于并联电容器的容量主要由无功优化确定，并且Xs主要是通过外部电力系统的设置确定的，Xs可以作为不可变量，所以只有串联电抗器的电抗率K可调。由此可知，串联电抗器的电抗率是电容器组的重要参数，电抗率的合理选择直接关系到谐波电流的放大倍数。

2 串联电抗器的串抗率及电容器等效串抗率分析

本文以某220kV变电站实例分析电容器与电抗器的参数匹配问题，在该220kV变电站中，有主变电站2台，分别有220kV、35kV、10kV等三个不同的电压等级，容量为3×150MV・A，在1号主变电站中配置了电抗率为6%的串联电抗器，容量为433kvar。然而，在实际运行中，电容器外熔丝群爆事故频繁发生，为了找出事故原因，操作人员对1号变电站进行了电容器投切试验，采用PS-8电能质量分析仪对电容器组支路的谐波电流进行监测并记录电容器运行过程中的暂态波形。当在无电容器投运的情况下，电压等级为10kV的母线电压所产生的谐波电压含有率为2.305%，其中5次、11次谐波电压含量较大，主要与变电站所产生的负荷有关。在该实验中，操作人员共进行了12余次电容器投切操作，包括有电容器和无电容器的情况下投运电容器，通过投运不同组数电容器的测试，在电容器组中串联电抗器的电抗率为6%时，不同电容器组投运的电流数据见表1。从表中可以看出，在串抗率为6%的情况下，在3组电容器投运时3次谐波电流放大较为严重，其电压含有率达到17.11%。然而，随着投运组数的不断增多，容抗值随着投运组数的增多而越来越小，造成5次谐波的滤波效果下降。

分析电容器组等效串抗率，其是电容器与电抗器匹配设置的重要参数，其等效串抗率的公式为：

（3）

从公式中可以看出，电容器等效串抗率随着电容器投运组数的增加而逐渐增加，分析串抗率为6%时和串抗率为4.5%时不同电容器组投运的等效串抗率，见表2，可知当串抗率为6%时，在第4组电容器全部运行或所产生的等效串抗率与3次谐波产生的等效串抗率相近，电容器组支路与电力系统的阻抗发生并联谐振的趋势。通过对该变电站现场测试，可知电容器串抗设计的不合理造成的电流谐波放大是引起并联电容器熔丝群爆事故的常见原因，引起熔丝群爆的原有有很多，其外部原因有整个电容器过流而引起熔丝熔断，内部原因有并联电容器均会对击穿的电容单元进行放电，从而引发群爆事故。

3 并联电容器与串联电抗器参数匹配选择

面对因过电流作用而造成电容器外熔丝群爆等事故，在无功补偿电容器组串联电抗器的参数匹配中，应慎重选择，既要考虑电容器组串联电抗器的电抗率，也要充分考虑电容器组的等效串抗率，避免因参数选择不当而造成电容器组谐振现象的发生。因此，在电容器设计中，首先，做好电容器容抗的选择，在高次谐波情况下，往往会因为电容器容抗的变化而造成谐振过压力、过流的情况发生，给电容器造成了严重的威胁。因此，为了有效避免此类情况的发生，可以结合实际情况选择相应的串联电抗器，适当放大电抗器的容量，确保电容器串联回路整体呈现感性，从上述可知，5次、11次谐波含量较大，因此，在选择串联电抗器的电抗量中，可以以5次谐波为主，以为依据，可以求得与给定电容匹配的串联电抗量。通过串联电抗量的计算方法，可以得出，由此可知，串联电抗器选择电抗率为6%时可以满足设计要求，可以有效避免与外接系统电抗发生并联谐振的可能。其次，当实现电容器组与电抗器串联回路后，补偿电容器退出运行后，可以在很短时间内完成放电，虽然电容器的端电压基本降为0，但电容器在合闸瞬间的端电压不会发生变化，及短路，通过加入串联电抗器，电路电流可以得到很好地控制。最后，将电抗器串接于电容器上侧，由于电抗器对低电压的绝缘水平要求较高，一般电容器选择的额定电源应略高于系统标称电压，在这种情况下，即使电容器上侧对低电压的绝缘造成破坏形成地短路故障。因此，选择半绝缘式的电抗器，其绝缘水平要求较低，可以起到抑制故障电流的作用。

结语

面对系统产生的谐波电流，为了确保的电力系统安全、稳定的运行，在设计电容器中，应考虑多方面的综合因素，包括串联电抗器的电抗率，电容器的等效串抗率及电容阻抗等因素，利用电容器回路串联电抗器的方法，实现电容、电抗的参数匹配，避免电容器在主要谐波成分下谐振的发生，使电力电容器的作用在实际运行中发挥到最佳。

参考文献

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