电力系统谐波放大问题研究

2010-03-15李阳

湖南水利水电 2010年2期

李阳

（长沙电业局长沙市 410002）

并联电容器作为无功补偿设备接入电力系统中后，不仅承受电网的工频电压，产生工频电流，而且在电网非正弦用电设备谐波源的作用下产生高次谐波电流，电容器是在工频电压源和高次谐波电流源这两种不同性质的电源下工作。电容器虽然是谐波源的一个负载，其谐波电流只是谐波源的谐波电流的一部分，由于是容性电抗，在和电力系统感性电抗相并联时候，在很多的情况下，由用户谐波源进入电力系统的谐波电流将发生变化，有时候其数值大于谐波源的谐波电流，这种现象叫做谐波放大。如果流入电容器和电力系统的谐波电流在数值上均大于谐波源的谐波电流，这种现象就为谐波电流严重放大。当谐波源的负载电路处于并联谐振状态时候，流入电力系统的和电容器的谐波电流将达到最大值，将比谐波源的谐波电流大几倍甚至几十倍，引发严重的事故，因此研究电容器在接入有高次谐波电流源的电力系统的谐波放大状况是十分有必要的。

1 谐波的危害

（1）谐波影响各种电气设备的正常工作。

谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。

（2）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。不同类型的继电器工作原理和设计性能不同，因此谐波对其影响也有较大的差别。谐波对大多数继电器的影响并不太大，但对部分晶体管型继电器可能会有很大的影响。电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。

（3）对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

谐波对通信系统的干扰是一个在国际上十分重视的问题，对此已进行了充分的研究并制定了相应的标准。谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响，甚至还发生过危及设备和人身安全的事故。电力系统传输的功率以兆瓦（MW）计，而通信系统的功率以毫瓦（mW）计，两者相差十分悬殊。因此，电力网中不大的不平衡音频谐波分量，如果藕合到通信线路上，就可能产生很大的噪声。在有多个中性点接地的电网中，如有较大的零序分量谐波电流通过中性点流入大地，就会严重干扰附近的通信系统。

2 谐波对电容器的影晌

无功补偿电容器组主要用于补偿基波无功功率，但是当谐波作用于电容器时，既可能使电容器回路吸收谐波，改善电能质量，也有可能导致电容器回路出现谐波放大，使电能质量变坏。决定谐波的吸收或放大的因素是多方面的，其主要因素可以归纳三个方面：

（1）电容器组的参数配置；

（2）电网的背景谐波水平和所带负荷的性质；

（3）电力系统网络情况。

在一定条件下，谐波对电容器组的运行影响很大，严重时可能导致电容器组因过流而退出运行，这样既不能有效地补偿无功功率，导致功率因数下降及线损增加，又造成了电容器设备投资的浪费。

2.1 电容器对谐波阻抗的影晌

在没有电容设备并且不考虑输电线路电容时候，电力系统的谐波阻抗可以由其工频短路电抗Xs为基础计算。如系统n次的谐波电阻为Rsn，谐波电抗为Xsn。由于Xsn为感抗，则：

若谐波阻抗为Zsn，则

实际上电力系统不是简单的RL电路，而是一个很复杂的RLC电路。如以式（2）计算谐波阻抗，将与实际值有很大的差异，现以满足式（2）的电感元件的谐波阻抗Zsn与谐波容抗Xcn并联的系统等值谐波阻抗Zsn来进行分析，电路如图1。

图1 谐波阻抗电路图

设电容器的基波电抗为Xn，谐波电抗为Xcn，则：

由图1可求得：

比较式（3）和式（4）可以得到：并联电容器将改变系统谐波阻抗的频率特性，可使系统等效谐波阻抗呈容性，甚至对某次谐波来说，并联电容器可能与系统发生并联谐振，这时等效谐波阻抗达到最大值。

2.2 电容器对谐波电流的放大作用

电力系统中的谐波源通常具有恒流源的特征，即当外阻抗发生变化时电流值不变。设谐波源的n次谐波电流为In，进入电力系统的谐波电流为Isn，进入电容器的谐波电流为Icn。

此时，谐波源的外阻抗为电力系统的感性阻抗与电容器容抗相并联的阻抗。进入电力系统和进入电容器的谐波电流的分配将因谐波次数的不同而不同，可能出现Isn＞In，也可能出现，Icn＞In，当，Icn＞In时，称为电容器谐波电流放大;当Isn＞In和Icn＞In同时出现时候，称为谐波电流严重放大。

设电力系统的基波等值阻抗为Zs=Rs+jXs，则n次谐波的阻抗为Zsn=Rsn+jXsn，通常Rsn＜Xsn，则Rsn可以忽略不计。在供电系统中作为无功补偿用的并联电容器，对于某次谐波若与呈感性的系统电抗发生并联谐振，即可能出现过电压而造成危害。如果在电容器支路中串联电抗器，则可使谐振点远低于某次含量较多的谐波。对应的简化接线如图2a所示，等效电路如图2b所示。

图2 电力系统简化电路图(a)和等值电路(b)

3 谐波放大的抑制

长期以来，采取在电容器中串接电抗器，作为防止谐振与抑制谐波的措施。这样电容器组支路的阻抗为XLcn= XLn－Xcn。

当XLn＞Xcn时，电容器组可等效为电感，这时流过电容器和系统电抗的谐波电流方向相同，电容器组对谐波电流分流，起滤波作用。

当XLn＜Xcn时，电容器支路呈容性，流过电容器和系统电抗的谐波电流反向，电容器对谐波呈放大作用。因此，对于串联电抗器参数的选择成为电容器组在投入系统过程中是否产生谐波放大的关键。电抗率选择不当不但不能抑制谐波放大，其后果往往还会适得其反。例如，对于3次谐波而言，如果串接6%电抗器后，相当于电容器容量增加一倍多，当3次谐波源为电流源，其内电纳是电感性的，并联电容器容量的增大将使电网3次谐波电压升高，同时也使电容器支路中的3次谐波电流增大。显然，在3次谐波含量较大的场合，使用6%电抗器无论对系统还是对电容器本身都是不利的。

在选择电抗率时，既要考虑满足抑制谐波要求，又要考虑尽可能降低电抗率节省投资的要求，对于大容量的电容装置，电抗率的优化选择尤为重要，其技术经济效益将十分显著。一般说来，如当系统中高次谐波电压含量较小，电抗器主要用于限制合闸涌流时，可选用电抗率K= 0.1%～1%的阻尼电抗器，但应当注意电容器接入系统时对各次谐波的放大。对于抑制5次及以上的高次谐波电压时，宜选用电抗率K=4.5%～5%的电抗器，但要注意电容器接入系统时对3次谐波电压的放大。如为抑制3次及以上高次谐波电压时，则宜选择电抗率K=12%的电抗器。在谐波电压放大后仍不超过规定值，电容器谐波电压在允许范围内的条件下，宜选择较小电抗率的电抗器，以减小无功容量的损失，并可减少其对低次谐波电压放大程度。

另外在电抗率的优化选择上，还有以下几点值得注意：

（1）宜按电压等级选择电抗率。

通过对220kV与110kV两个电压等级变电所的中压侧或低压侧装设的电容器，以在高压侧引起的谐波电压放大率不超过1.2倍为限值（指3,5次谐波），在不同电抗率，不同变压器短路电压比，以及不同的变压器容量与系统短路容量比值的条件下，计算确定电容器组的最大容量，再经过综合分析后认为:如电容器组未串接电抗器，其容量不宜大于主变压器容量的10%；对于110kV变电所，电容器组串接K=12%电抗器，对3次谐波电压的抑制作用有限，电容器组宜串接K=4.5%电抗器，且其容量一般不宜大于主变压器容量的20%；当系统中110kV变电所普遍选用K=4.5%～5%电抗器时，在220kV变电所的电容器组应选用K=12%电抗器，不仅可以避免系统3次谐波电压层层放大，而且还可以有效抑制电网3次谐波电压。

（2）充分发挥电容装置的滤波效益。

电容器对谐波有一定的承受能力，只要电容器和电抗器的参数匹配适当，既可有效地吸收电网谐波，减少流向高一级电网和邻近电网的谐波电流，减小谐波造成的危害，又可防止对电网谐波的放大。按照传统的简化模型的分析方法，并根据滤波器原理，计算确定对于主要含有5次及以上谐波的场所，取K=4.5%；对于含有3次谐波的场所，取K=12.5%。同时，为达到较好的滤波效果，串联电抗器的电感值应可调节，以调整电容器或电抗器本身的误差。在运行时，一旦发现电容器损坏，应及时调换，不允许缺台运行。不难看出，从发挥电容装置对5次谐波的滤波效果来看，取K=4.5%优于取K=5%对3次谐波的滤波效果来看，取K=12.5%优于取K=13%，但劣于取K= 12%。

（3）宜采取不同电抗率的组合。

对于超高压枢纽变电所装设的大容量电容装置，如能正确合理地选择串联电抗器的电抗率，不仅能达到有效地抑制电网谐波，而且能做到显著地节省工程投资、减少电能损耗与降低年运行费用，从而获得很大的技术经济效益。从对桂花变电站电容装置的各种电抗率选择方案的比较论证，再从对驻马店变电站进行谐波分析，针对特定次数的谐波采用不通的电容器投切组合证明:采用不同电抗率组合是完全能够实现抑制谐波放大目标的。

采用同电抗率组合抑制谐波放大的原理，系使串接不同电抗率的电抗器电容器组对某次及以上谐波的综合谐波阻抗呈感性;或者利用大部分只串低电抗率（如4.5%～5%）的电抗器，与小部分容量的滤波器共同组合，从而防止电容装置引起谐波放大。当然，从经济性要求串接高电抗率（如12%）的电容装置容量尽可能小。