低压无源电力滤波装置试验探讨*

2013-04-24吕超群吴国伟

计量技术 2013年6期

吕超群吴国伟

(杭州市萧山区质量计量监测中心，杭州 311200)

0 引言

随着国民经济的快速发展和电力电子技术的进步，不断有新的电力电子设备和其他非线性负载接入电网，电网谐波含量逐年增大。无源电力滤波装置能有效地解决电网谐波电流超标和功率因数不能达标的双重问题，并因其技术成熟、设计简单、价格相对低廉等优点得到广泛应用。

我国于上世纪50年代开始电力滤波技术的研究，经过半多个世纪的发展，我国电力滤波装置在研制、生产和应用等方面已与国际发展步伐同步，但至今仍未颁布低压电力滤波装置的国家或行业标准，滤波装置的功能和滤波效果参差不齐，尤其是无源电力滤波装置，各生产厂商的产品性能更是差异明显。

为此，本文主要研讨低压无源电力滤波装置的检验要求，通过这些项目检验能确保滤波装置的功能和滤波效果满足各种工况的要求。

1 检验项目

低压无源电力滤波装置的试验分为出厂试验和型式试验。出厂试验应包括：结构检查、电容测量、电抗测量、工频耐受电压试验、放电器件试验、保护功能试验、投切试验、滤波功能试验和防护等级试验；型式试验应包含全部出厂试验，以及雷电冲击耐受电压试验、温升试验、并联谐振试验和短路耐受强度试验。

2 试验方法

无源电力滤波装置具有滤波和无功补偿双重功能，因此，其结构检查、电容测量、电抗测量、工频耐受电压试验、放电试验、保护功能试验、投切试验、雷电冲击耐受电压试验、温升试验、短路耐受强度试验和防护等级试验可按照《GB/T 15576—2008.低压成套无功功率补偿装置》的相关规定进行[1]。本文仅探讨目前相关标准未涉及的滤波功能试验和并联谐振试验。

2.1 滤波效果试验

无源电力滤波装置应满足电力用户提出的抑制谐波或滤除谐波，并具有较高性价比的技术要求。

由于不同用电场所谐波次数和幅值不同，用户要求也不一致，制造商一般根据用电场所的谐波数据，依据《GB/T 14549—1993.电能质量公用电网谐波》中公用电网谐波电压限值及谐波电流允许值的规定[2]，与用户协商确定装置抑制谐波或滤除谐波的技术参数，以满足用户的要求。如果仅以文献[2]中公用电网谐波电压(相电压)限值及谐波电流允许值作为检验滤波装置的滤波效果，那么测试结果很难反应不同滤波装置滤波效果的性能差异。

鉴于，目前滤波效果试验没有统一的标准，本文以谐波滤除率这一指标来衡量无源滤波装置的滤波效果。谐波滤除率是指滤波装置接入前后，注入系统谐波电流的减少量，按接入前注入系统谐波电流的百分比表示。

谐波滤除率计算式为：

KLn=(In0-In)/In0×100%

式中，In0为未接入滤波装置时，注入系统的n次谐波电流；In为接入滤波装置后注入系统的n次谐波电流。

谐波电流和谐波滤除率应取三相的算术平均值。

滤波装置安装完毕且谐波源设备正常运行后，进行装置参数设置和谐波测试。使用电能质量分析仪，记录装置投入前、后的谐波数据，并计算谐波滤除率。

装置型式试验时，因实验室试验变压器与装置参数不能完全匹配，故对3次及以上谐波的滤波回路，其谐波滤除率不应低于60%；现场使用时，因装置参数根据用电系统谐波源配置，故其谐波滤除率应高于70%。达到上述规定，则装置能满足一般电力用户的谐波治理要求。对于2次滤波回路，其谐波滤除率应满足用户的订货技术要求。

2.2 并联谐振试验

电力系统中主要谐波源为电流源，其主要特征是外阻抗变化时电流不变。其简化电路和谐波等效电路如图1所示。图中，In为负载的n次谐波电流，ISn为注入电网的n次谐波电流，ICn为滤波装置吸收的n次谐波电流，nXS为电网对n次谐波的阻抗，XC/n为滤波装置对n次谐波的容抗，nXL为滤波装置对n次谐波的感抗。

图1 用电系统简化电路及谐波等效电路图

无源电力滤波装置通常由RLC电路组成，一般可简化为LC串联电路。设计时，通常使

式中，n为谐波次数；XL为滤波装置基波感抗；XC为滤波装置基波容抗。

这样滤波设置能有效地吸收n次谐波电流。当谐波次数大于n时，滤波装置呈感性；当谐波次数小于n时，滤波装置呈容性。因此，当滤波装置呈容性时存在与系统阻抗发生并联谐振的可能。并联谐振时谐波电流被极度放大，其数值可达到原值的几十至几百倍，严重危及电网设备的安全运行，产品设计时必须避免滤波装置与系统发生并联谐振。

并联谐振试验采用等效电路的方法进行[3]。在滤波装置旁并联一只等效电感，测量并联电路的谐波阻抗，比较并联电路的谐波阻抗和所并联电感的谐波阻抗来判断是否会发生并联谐振。试验时，所有滤波支路根据允许的投切组合均应并联在一起[4]。

等效电感应为滤波装置拟接入母线的系统短路容量所折算的等值电感：

式中：LS为等效电感；Uj为滤波装置接入点系统的平均电压kV；Sd为滤波装置接入点系统的短路容量MVA。

为了确保在最大、最小短路容量范围内均不发生并联谐振，等效电感至少应在最大短路、最小短路容量及其平均值三个点取值分别进行试验。等效电感的基波品质因数应不小于40。

并联谐振的判断：

1)在n次谐波频率下测量滤波装置与等效电感并联后的阻抗Zn，测试仪器推荐使用可调频率的阻抗测试仪。

式中：Zn为滤波装置与等效电感并联后的谐波阻抗；LS为等效电感。

2)滤波补偿装置一般具有过流保护功能，当电流大于一定值(一般不超过1.3倍额定电流)时，滤波支路自动退出用电系统，故并联谐振持续时间比较短(小于1s)。参考文献[1]规定对于“容量不小于150kVA的装置，其主电路的额定短时耐受电流应不小于15kA”。另外，回路电阻对并联谐振也有一定的抑制作用，根据装置实验数据及运行情况统计分析，容量不大于700kVA的装置对所有频率的并联谐振放大倍数(K值)应不大于8，容量大于700kVA的装置对所有频率的并联谐振放大倍数(K值)应不大于5，则能保证用电系统及滤波装置的安全运行[5]。