電力系統(tǒng)諧波背景下10 kV串聯(lián)鐵芯電抗器噪聲分析

陸華梁 徐斌 蔡秋燁

國(guó)網(wǎng)嘉定供電公司

電力系統(tǒng)諧波背景下10 kV串聯(lián)鐵芯電抗器噪聲分析

陸華梁 徐斌 蔡秋燁

國(guó)網(wǎng)嘉定供電公司

基于嘉定地區(qū)電網(wǎng)諧波背景下一起10 kV串聯(lián)鐵芯電抗器噪聲過大缺陷處理，分析電力系統(tǒng)諧波對(duì)10 kV串聯(lián)鐵芯電抗器噪聲的影響，為今后10 kV串聯(lián)電抗器設(shè)計(jì)選型提供依據(jù)，避免由于電抗器選型不妥導(dǎo)致的噪聲超標(biāo)問題。

10 kV串聯(lián)鐵芯電抗器；諧波；噪聲

上海嘉定輔道110 kV變電站送電時(shí)發(fā)現(xiàn)10kV串聯(lián)鐵芯電抗器噪聲超標(biāo)，經(jīng)電科院檢測(cè)發(fā)現(xiàn)投入電抗器后，系統(tǒng)5次諧波超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，噪聲也明顯大于國(guó)標(biāo)要求，經(jīng)分析認(rèn)定該電抗器串抗率定位1%的選型存在問題，更換5%串抗率后噪聲明顯降低，經(jīng)電科院再次檢測(cè)，系統(tǒng)諧波超標(biāo)問題得以解決，噪聲問題也得到了改善。

1 電力系統(tǒng)諧波及其危害

在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，由于有非線性負(fù)荷的存在，當(dāng)電流流過與所加電壓不呈線性關(guān)系的負(fù)荷時(shí)，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧振含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。

2 串聯(lián)電抗器與串抗率

串聯(lián)電抗器與并聯(lián)電容器組相配合，用于限制合閘涌流和系統(tǒng)中的高次諧波。GB50227《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定：僅用于限制涌流時(shí)，電抗率宜取0.1%～1.0%；用于抑制諧波時(shí)，電抗器應(yīng)根據(jù)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波含量的測(cè)量值選取，當(dāng)諧波為5次及以上時(shí)，電抗率宜采取4.5%～5%，當(dāng)諧波為3次及以上時(shí)，電抗率宜選12.0%，亦可采用4.5%～5%與12.0%兩種電抗率混裝方式。

3 理論分析

3.1 設(shè)備參數(shù)

110 kV 輔道站有兩臺(tái)110 kV/10 kV 主變，容量為50 MVA，阻抗均為17%左右，110 kV側(cè)為環(huán)進(jìn)環(huán)出支接變壓器接線，兩側(cè)電源分別來自220kV靜宜站和220 kV雙丁站，共有4組10 kV并聯(lián)電容器組，分別位于10 kV一、二、三、四段母線上，1號(hào)和3號(hào)電容器容量均為3 000 kVar，2號(hào)和4號(hào)電容器容量均為5 000 kVar，詳見圖1該站一次系統(tǒng)接線。

圖1 輔道站一次接線圖

每組電容器組內(nèi)設(shè)備情況見表1、表2。

表1 3 000 kVar電容器組設(shè)備清單表

表2 5 000 kVar電容器組設(shè)備清單表

通過PMS系統(tǒng)查詢輔道站的上級(jí)供電電源盒變壓器參數(shù)，初步計(jì)算輔道站10 kV母線的短路容量，年底正常運(yùn)行方式下，靜宜站220 kV正付母線三相短路電流為35.76 kA。

各級(jí)變電站主要參數(shù)如下。

（1）靜宜站2號(hào)主變額定容量240 MVA，高壓-中亞短路阻抗為13.6%。

（2）靜宜站至輔道站線路參數(shù)：電纜700 m。

（3）輔道站2號(hào)主變額定容量為50 MVA，短路阻抗為17.2%

3.2 計(jì)算

估算靜宜站供電時(shí)，輔道站10 kV母線年底正常短路容量計(jì)算結(jié)果為267 MVA，以典型電網(wǎng)模型為基礎(chǔ)，當(dāng)系統(tǒng)短路容量為Sd、電抗器串抗率為K時(shí)，在n次諧波頻率下，諧振容量計(jì)算公式為：

根據(jù)公式計(jì)算，設(shè)短路容量為267 MVA，諧振次數(shù)為5，串抗率為1%時(shí)，計(jì)算到的電容器諧振容量為Qcx=80.3 Mvar，與兩臺(tái)電容器同時(shí)運(yùn)行時(shí)的容量相接近，可能發(fā)生5次諧波諧振。當(dāng)串抗率改為5%時(shí)，電容器諧振容量值變?yōu)樨?fù)值，避免發(fā)生5次諧波諧振。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 整改前

2015年12月，上海嘉定輔道站在啟動(dòng)投運(yùn)時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器組投入運(yùn)行后，噪聲超標(biāo)。經(jīng)電科院相關(guān)人員對(duì)諧波、噪聲進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表3。

2016年4月8日，電科院再次對(duì)輔道站電容器組諧波、噪聲進(jìn)行測(cè)試，與第1次測(cè)試不同的是10 kV母線上已經(jīng)帶上約1.3 MW負(fù)荷，結(jié)果見表4。

從表2、表3中可以看出以下幾點(diǎn)。

（1）無論輔道站上級(jí)電源來自何處，電網(wǎng)背景電壓諧波水平均小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）中規(guī)定的10 kV電壓總畸變率（THD）應(yīng)小于4%，奇次諧波應(yīng)小于3.2%的要求。

（2）電容器投入后出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象：當(dāng)3000 kVAR和5 000 kVAR兩組電容器組同時(shí)投入后，出現(xiàn)了5次諧波的嚴(yán)重放大，導(dǎo)致超出國(guó)標(biāo)3.2%的限值。

表3 整改前輔道站第1次測(cè)試結(jié)果

表4 整改前輔道站第2次測(cè)試結(jié)果

（3）根據(jù)不同運(yùn)行方式下的諧波和噪聲情況相比較，可以看出諧波電流的增大導(dǎo)致流經(jīng)電容器的電流有效值大于電抗器額定電流，導(dǎo)致實(shí)際電抗器承受的端電壓大于額定端電壓。對(duì)于鐵芯電抗器來說，鐵芯柱的橫截面積和繞組匝數(shù)為常數(shù)，意味著在一定的供電頻率下，電抗器的端電壓與鐵芯的磁通密度成正比。電抗器的鐵芯磁通密度實(shí)際已飽和，從而導(dǎo)致電抗器噪聲變大。所以，諧波電流的大小與電抗器噪聲大小成正比。

4.2 整改后

經(jīng)過整改，輔道站1、2、4號(hào)電電容器組內(nèi)更換1%串抗率的電抗器，改為5%串抗率的電抗器，根據(jù)電容器相關(guān)規(guī)范要求，其余設(shè)備也做了相應(yīng)更換（參數(shù)見表4和表5），額定電

表4 整改后1號(hào)電容器組設(shè)備清單表

表5 整改后2號(hào)、4號(hào)電容器組設(shè)備清單表

再次進(jìn)行諧波、噪聲檢測(cè)，結(jié)果見表6與表7。

從表6、表7中可以看出以下幾點(diǎn)。

（1）第2、3次測(cè)試表明，電容器組的單投基本沒有發(fā)生大德5次諧波諧振，第1次測(cè)試的結(jié)果比較大是因?yàn)闇y(cè)試時(shí)10 kV母線空載的緣故，這與之前理論計(jì)算，當(dāng)電容量達(dá)到8 MVAR時(shí)（1號(hào)與2號(hào)一起投或者3號(hào)與4號(hào)一起投），才發(fā)生5次諧波諧振的結(jié)果吻合。

（2）整改后，1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)電容器組特性具有5次諧波的濾波效果，特別是倆倆組合的投運(yùn)，這種效果更明顯，從而有效避免5次諧波諧振，降低諧波電流，從而減少噪聲。

5 結(jié)語

（1）改變串抗率顯著改善了電容器投入后的諧波水平和噪聲水平

電容器串抗率由1%改為5%后，電容器投入對(duì)電壓總諧波畸變率的影響由放大2～7倍，變?yōu)闇p小30%～70%。經(jīng)改造后，平均噪聲下降幅度約28 dB；10 kV母線電壓總畸變率在電容器組投入后呈下降趨勢(shì)，THD和5次諧波含量均低于國(guó)標(biāo)的限值；各改造電容器組的電流有效值均在額定值范圍之內(nèi)，說明此次整改效果明顯；此次整改后，各電容器組投入對(duì)電網(wǎng)的5次諧波被污染產(chǎn)生濾波效果，具有改善輔道站10 kV母線系統(tǒng)電壓諧波水平的作用。

（2）背景諧波水平和諧波阻抗特性在不斷變化

在三次的測(cè)試過程中，不同的上級(jí)電源、不同的運(yùn)行方式、不同的負(fù)荷水平下，電網(wǎng)的背景系誒波水平，特征頻次，投入同樣電容器后的諧波放大倍數(shù)均有所不同。3號(hào)電容器組串抗率維持1%沒有改造，投入后的早上也有所降低，從70dB降低到66 dB，THD值也僅上升到1.5%，原因是測(cè)試時(shí)10 kV母線上已經(jīng)帶負(fù)荷，改變了諧振條件。但應(yīng)注意的是串抗率1%的情況下，諧波仍然會(huì)放大，如果系統(tǒng)背景諧波水平提高，則3號(hào)電容器組單獨(dú)投入后，系統(tǒng)的THD也會(huì)上升。

6 建議及推廣

根據(jù)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定、電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，需要結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況開展電容器設(shè)計(jì)工作，特建議如下。

（1）電容器的串抗率應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。應(yīng)按照相關(guān)國(guó)標(biāo)對(duì)電容器組使用的串抗率大小進(jìn)行驗(yàn)算，防止因使用不恰當(dāng)?shù)拇孤屎?，發(fā)生諧波諧振事故和噪聲污染。

表6 輔道站整改后第三次測(cè)試結(jié)果1（與第一、二次比較）

（2）正常諧波水平下得電容器串抗的噪聲質(zhì)量需要進(jìn)行把控。單臺(tái)電容器投入后，母線諧波電壓在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)，但此時(shí)電抗器噪聲仍是處于比較高德水平，建議加強(qiáng)對(duì)電容器串聯(lián)電抗器諧波耐受能力的分析和研究。

（3）安裝電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置以實(shí)時(shí)掌握諧波變化。背景諧波水平和諧波阻抗水平都在不斷變化，輔道站內(nèi)符合上來之后也有可能存在諧波污染，實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測(cè)十分必要。

（4）建議配置便攜式諧波監(jiān)測(cè)分析儀，方便運(yùn)檢人員及時(shí)掌握變電站諧波水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除潛在的隱患。在電容器組投運(yùn)調(diào)試時(shí)應(yīng)盡量避免母線空載運(yùn)行情況，加強(qiáng)對(duì)電容器組電流有效值的監(jiān)控。

以上海市電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)的年報(bào)揭示：3、5、7、11和13次諧波是上海電網(wǎng)中較為常見的諧波頻次。表8、表9是根據(jù)國(guó)標(biāo)提供的諧振容量計(jì)算公式，計(jì)算短路容量Sd在90～290 MVA變化，串抗率K=1%、5%時(shí)的諧波次數(shù)n、電容器補(bǔ)償容量Qc。

10 kV Noise Analysis of Series Iron Core Reactor under Background of Power System Harmonics

Lu Hua,Liang Xubin,Cai Qiuhua
State Grid Jiading Power Supply Company

10kV Series Iron Core Reactor,Harmonics,Noise

表7 輔道站整改后第三次測(cè)試結(jié)果2（與第一、二次比較）

表8 當(dāng)k=1%時(shí)，Sd、Qc、n的相互關(guān)系

表9 當(dāng)k=5%時(shí)，Sd、Qc、n的相互關(guān)系

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.04.009

Abstracr: Based on Jiading area power grid harmonics background,there is some excessive noise defect settlement in series iron core reactor. The author analyzes impact of power system harmonics on noise of 10kV series iron core reactor,which provides reference to design and equipment selection of 10kV series iron core reactor to avoid improper reactor selection causing excessive noise issue.