高次諧波對低壓并聯電容器裝置的影響及解決方法

陳太虎 周建強 安建永

摘? 要：介紹了高次諧波對電容器裝置的干擾影響、產生原因以及可能造成的危害。介紹了串聯6%電抗器對諧波放大的抑制作用，經多個工程驗證，是一種保證電容器安全運行的好方法。

關鍵詞：高次諧波;電容器;串聯電抗器

中圖分類號：TM761? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）11-0139-02

Abstract： This paper introduces the causes of the interference of high order harmonics on the capacitor device and the possible harm. It also introduces the suppression effect of series 6% reactor on the harmonic amplification， thereby is a good method to ensure the safe operation of the capacitor， which has been verified by several projects.

Keywords： high order harmonic; capacitor; series reactor

1 概述

在低壓配電系統中，普遍采用電容器來補償感性無功功率，使系統平均功率因數達到供電部門的要求。由于電容器補償低壓系統的無功功率后，可以增加變壓器對有功功率的供電容量，具有顯著的節(jié)電效果。

但是隨著帶整流器的設備如直流調速裝置、變頻調速裝置、UPS電源裝置，以及軟起動器、新型節(jié)能電光源等產生高次諧波電流的電氣設備應用越來越多，出現了許多的因諧波造成電容器過流損壞的實例，也有因諧波造成電容器前置熔斷器反復熔斷，電容器無法投運的實例。因此，高次諧波對電容器裝置的危害問題必須引起重視。

供用電系統中接有各種產生高次諧波的設備。凡是電壓與電流關系是非線性的元件都是諧波電流源，如熒光燈、變壓器的激磁電流、整流器等，都會向系統輸送諧波電流。高次諧波對許多電氣設備都有危害，其中電容器對諧波更為敏感。因為電容的容抗是與電源頻率成反比的XC=■，頻率越高容抗越小，即使不很大的諧波電壓，也會有很大的諧波電流，造成電容器過電流。尤其是當電容器在某次諧波頻率時的容抗與系統電感對該次諧波頻率的感抗相等時，便會發(fā)生諧波諧振，諧波電流和諧波電壓急劇增大，會對電容器裝置和其他電氣設備造成損壞。

解決這個問題比較簡單有效的方法就是在電容器回路中加裝串聯電抗器。串聯電抗器除了限制合閘涌流外，還有一個重要作用就是抑制高次諧波電流，同時防止高次諧波造成諧波諧振的事故。由于電容柜中串聯電抗器的工頻感抗是與電源頻率成正比，即XL=？仔fC，在高頻下感抗增大，所以串聯電抗器能有效抑制諧波電流，防止電容器過流損壞，也防止了由于高次諧波存在，電容器保護裝置動作，電容器無法投運的狀況。

整流設備是最主要的諧波源。對于通常應用最多的六相整流來說，主要有：5、7、11、13次諧波。12相整流主要有：11、13、23、25次諧波。即高次諧波的頻率都在250Hz以上。

2 串聯電抗器的選擇

電容器串電抗后形成一個串聯諧振回路，在諧振頻率下呈現很低的阻抗（理論上為0），如果串聯諧振頻率與電網特征諧波頻率一致，則成為濾波回路，如果只吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。

失諧濾波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，串聯諧振頻率通常低于電網的最低次特征諧波頻率，即設定為基波頻率的3.8～4.2倍。

計算公式為：

電抗器電抗XL=電容器容抗XC的百分比（x%）

或者：

電抗器功率QL=電容器基波容量QC的百分比（x%）

電抗器電抗或容量一般為電容器容抗或容量的6～7%。

串聯諧振頻率按下式計算：

在選擇x=6%時，諧振次數為vr=4.08。

失諧濾波回路只吸收少量5次及以上的諧波，諧波源產生的諧波大部分流入電網，電容器容量根據預計達到的功率因數值確定。

以5次諧波為例。

電抗器對5次諧波的感抗（工頻時的感抗XL=6%XC）

XL5=5XL=5（6%XC）=30%XC

電容器對5次諧波的容抗

即對于5次諧波，電容柜的感抗己經大于容抗（對于5次以上諧波更是如此）。根據阻抗分流原理，諧波電流不會流入阻抗大的支路，這就從根本上消除了系統發(fā)生諧波諧振的可能性。

3 工程實例

下面介紹串聯電抗器的實例。

某大樓供用電系統中裝有16組30kvar的普通低壓電容器柜，電容器柜聯接到400V/50Hz電網，電源變壓器10kV/400V，SN=1600kVA，Ucc=5.5%，大樓主要負荷為變頻調速裝置、UPS電源裝置、新型節(jié)能電光源等。但是在不到一年的時間內，電容器柜內頻繁出現電容器過流損壞、熔斷器熔斷的故障，電容器柜長期無法正常使用，而且故障原因始終無法查明，致使高壓進線的功率因數達到供電部門的要求，功率因數只有0.83，因此每個月的罰款高達八萬元。經過測試發(fā)現故障原因是由于諧波放大引起的，測試結果如圖1、圖2。

經過在電容器回路安裝6%的串聯電抗器，上述電容器過流損壞、熔斷器熔斷故障的情況完全消失了。系統的平均功率因數由改造前的0.83提高到改造后的0.95以上，達到供電部門的要求，經過測試諧波情況也得到了明顯的改善。測試結果如圖3、圖4。

4 結束語

隨著科技的進步，整流設備如直流調速裝置、變頻調速裝置、UPS電源裝置等，以及軟起動器、新型節(jié)能電光源等可產生高次諧波電流的電氣設備會得到更多的應用。因此，高次諧波對電容器裝置的危害這一問題是不容忽視的。筆者認為在電容柜設計時，應考慮采用電容器串聯電抗器的方案，以保證設備安全可靠運行。

參考文獻：

[1]劉琳，譚光道，劉向辰.電機驅動電路高次諧波抑制研究[J].微電機，2019，52（12）：65-69.

[2]滕廣琴.淺談變頻器高次諧波的危害及抑制措施[J].科技風，2019（34）：134.

[3]汪旭東，史凱寧，許孝卓，等.基于模糊隨機PWM技術的永磁直線電機性能分析[J].傳感器與微系統，2019，38（12）：21-24.