諧波條件下電力電容器的安全運(yùn)行設(shè)計(jì)

崔軍

【摘 要】本文針對(duì)煤礦使用的無功功率補(bǔ)償電容器在實(shí)際使用中容易損壞的現(xiàn)象，分析了有諧波源的電力系統(tǒng)中如何裝設(shè)無功功率補(bǔ)償電容器，諧波電流對(duì)電力電容器的影響。確定了諧波電流在電容器支路中的放大、分流、諧振的影響和發(fā)生并聯(lián)諧振的條件。提出了一種在系統(tǒng)中諧波電流較大時(shí)，如何對(duì)無功功率補(bǔ)償電容器進(jìn)行保護(hù)的方法。

【關(guān)鍵詞】諧波電流；電力電容器；并聯(lián)諧振

0.引言

針對(duì)煤礦井下供電系統(tǒng)功率因數(shù)普遍偏低的現(xiàn)象，在煤礦供電系統(tǒng)中使用大量的電力電容器進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低供電系統(tǒng)的損耗，提高供電效率。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，煤礦用電負(fù)荷的結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大的變化，大功率變頻調(diào)速等控制裝置越來越多的應(yīng)用于礦井提升機(jī)和通風(fēng)機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備，電力電子設(shè)備在工作時(shí)會(huì)向電力系統(tǒng)注入大量諧波電流，導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓波形畸變?cè)絹碓絿?yán)重。在有諧波的電力系統(tǒng)中裝設(shè)無功功率補(bǔ)償電容器時(shí)，在某些條件下會(huì)使諧波放大，甚至?xí)痣娏ο到y(tǒng)局部諧振，導(dǎo)致電力電容器中諧波電流過大，嚴(yán)重時(shí)造成電力電容器的故障或損壞。因此，保證電容器在諧波條件下的安全運(yùn)行是十分必要的。

1.無功功率補(bǔ)償電容器

1.1無功功率補(bǔ)償技術(shù)

無功補(bǔ)償在電力供電系統(tǒng)中起提高電網(wǎng)的功率因數(shù)的作用，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境。所以無功功率補(bǔ)償裝置在電力供電系統(tǒng)中處在一個(gè)不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以做到最大限度的減少網(wǎng)絡(luò)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。每年可為煤礦節(jié)約電費(fèi)數(shù)十萬元。

1.2諧波電流對(duì)電力電容器影響分析

整流裝置的諧波阻抗一般較系統(tǒng)側(cè)及電容器組的阻抗大得多，在進(jìn)行諧波分析的電路中，當(dāng)直流負(fù)載電流一定時(shí)，可將諧波源視為恒流源。諧波對(duì)電力電容器的影響與電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，在大多數(shù)情況下，諧波源與電力電容器在同一母線上，此時(shí)電路的結(jié)構(gòu)具有并聯(lián)電路的特征。電力電容器支路串有電抗器時(shí)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及等值電路見圖1。

（a）系統(tǒng)圖 （b）等值電路圖

圖1 諧波分析電路圖

Fig.1 circuit diagram of the harmonic wave analyze

圖中x—系統(tǒng)的基波電抗；x—串聯(lián)在電力電容器支路的基波電抗；x—電力電容器的基波容抗。

由等值電路可得

I=I （1）

I=I （2）

由式（1）、（2）可得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)nx-x/n<0時(shí)，電力電容器支路呈容性，此時(shí)I>I，諧波電流在電容器支路中被放大。

（2）當(dāng)nx+（nx-x/n）=0時(shí)，電路發(fā)生并聯(lián)諧振，諧振條件為x=n（x+x），在諧振點(diǎn)附近I>>I，將有可能導(dǎo)致I>I，嚴(yán)重威脅電力電容器的運(yùn)行安全。

1.3電力電容器的使用極限

電壓波形中有高次諧波時(shí)，在高頻電場的作用下，電容器的介質(zhì)老化比正常工作時(shí)加快，同時(shí)高次諧波電流也將引起附加發(fā)熱。

對(duì)移相電容器來說，其電流應(yīng)滿足基波電流與諧波電流合成后的有效值不超過電容器額定電流的1.3倍，即：≤1.3I。

電壓使用極限：

并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50227-1995）規(guī)定電容器運(yùn)行中承受的長期工頻過電壓，應(yīng)不大于電容器額定電壓的1.1倍。即：U≤1.1U。

以上這些關(guān)系在設(shè)計(jì)和使用電力電容器時(shí)，始終應(yīng)得到滿足，這樣才能保證電容器的運(yùn)行安全。

2.電力電容器的設(shè)計(jì)方法

2.1電流保護(hù)

諧波對(duì)并聯(lián)電容器的直接影響。諧波電流疊加在電容器的基波電流上，使電容器電流有效值增大，溫升增高，甚至引起過熱而降低電容器的使用壽命或電容器損壞。諧波電壓疊加在電容器基波電壓上，不僅使電容器電壓有效值增大，并可能使電壓峰值大大增加，使電容器運(yùn)行中發(fā)生的局部放電不能熄滅。這往往是使電容器損壞的一個(gè)主要原因。

在有諧波的電力系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)并聯(lián)電容器時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)諧波的放大作用，以保證電容器和供電系統(tǒng)的運(yùn)行安全。具體方法是：在電容器支路內(nèi)串聯(lián)電抗器，使各電容器支路的總阻抗對(duì)各次諧波均呈感性，限制流過電容器支路的諧波電流，如圖1所示。計(jì)算時(shí)只要使對(duì)應(yīng)最低次諧波時(shí)電路呈感性即可，計(jì)算公式為：

nx=kx=kx/n

k為可靠性系數(shù)，取值為1.2～1.5。

并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50227-1995）規(guī)定，用于抑制諧波，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時(shí)，電抗率（電抗器的電抗與電容器電抗的比值）宜取4.5%-6%；當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為3次及以上時(shí)，電抗率宜取12%；亦可采用4.5%-6%與12%兩種電抗率。

2.2電壓保護(hù)

當(dāng)采用串聯(lián)電抗器抑制電容器中的諧波電流時(shí)，電容器兩端的電壓會(huì)升高，在選擇電容器時(shí)應(yīng)考慮該因素的影響。串聯(lián)電抗器時(shí)，作用在電容器上的工頻電壓為：

U=

U-電容器端子運(yùn)行電壓；

U-并聯(lián)電容器裝置的母線電壓；

k-電抗率；

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證U≤1.1U。

3.案例分析

現(xiàn)以一典型供電系統(tǒng)為例分析諧波對(duì)電力電容器的影響，系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

Tab.1 system relevant parameters

3.1諧波分析及諧波電流計(jì)算

在六脈動(dòng)整流電路中，含有諧波電流的諧波次數(shù)為n=6K±1 （k=1、2、3……），每臺(tái)整流變壓器二次繞組中產(chǎn)生n次諧波電流I為：

I=I=

各次諧波電流折算至變壓器一次側(cè)的電流值為：

I=

在6.3kV母線上出現(xiàn)最大諧波電流的條件為兩臺(tái)提升設(shè)備同時(shí)工作，此時(shí)n次諧波電流值為I=2I?？紤]到高次諧波電流在系統(tǒng)中含量較小，本例中諧波電流只計(jì)算至19次諧波，計(jì)算數(shù)值見表2。

表2 主要諧波電流計(jì)算

Tab.2 calculation of main electric current of wave in harmony

3.2諧波電流對(duì)電力電容器影響分析

在分析諧波電流對(duì)電力電容器影響時(shí)，考慮電力電容器支路串電抗器和不串電抗器兩種情況，串聯(lián)電抗器時(shí)，電抗值按下式計(jì)算。

X′=K

K取1.5；n為5。

則算得X′=1.32，由于電容器為△接線，故等值電路參數(shù)為：

X=X′/3=0.44Ω

X=X′/3=7.35Ω

由公式（2）算得電容器支路中各次諧波電流見表3。

表3 電容器支路各次諧波電流計(jì)算

Tab.3 main electric current of wave in harmony of branch road of condense

注：第1、2行為未串聯(lián)電抗器諧波電流值；第3、4行為串聯(lián)電抗器諧波電流值；

利用表3中參數(shù)對(duì)電容器運(yùn)行參數(shù)校驗(yàn)如下：

（1）未串聯(lián)電抗器時(shí)。

=490.6（A）>1.3I=371（A），電容器嚴(yán)重過負(fù)荷將被燒毀。

（2）串聯(lián)電抗器時(shí)。

電容器兩端的電壓為U=U=×6.3=6.7（kV）。

一般移相電容允許在1.05Ue條件下長期運(yùn)行，故電容器的額定電壓應(yīng)選為6.6kV。

1.05U=6.93kV>6.7kV

U+U=6700+43.8×22.05/5=6893V<1.1U，電壓滿足要求。

I=×286=290.3（A）

=295.3（A）<1.3I=371（A），電流滿足要求。

通過以上案例可以看出，當(dāng)供電系統(tǒng)中諧波電流較大時(shí)，對(duì)電力電容器支路串聯(lián)電抗器進(jìn)行保護(hù)的效果顯而易見，此方法對(duì)于電容器的安全運(yùn)行有重要的作用。

4.結(jié)論

從以上分析可以看出，在有諧波源電力系統(tǒng)中選用無功功率補(bǔ)償電容器時(shí)，應(yīng)充分考慮諧波對(duì)電力電容器的影響，正確確定補(bǔ)償電容器支路的參數(shù)，為電容器選擇合適的串聯(lián)電抗器，這樣才能保證電容器的運(yùn)行安全和使用壽命、減小整流電路回送至系統(tǒng)的諧波電流，同時(shí)減少電力電容器的損壞從而進(jìn)一步減少煤礦的損失。

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