并联电容器串抗选取研究

郭成

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

特约稿件

并联电容器串抗选取研究

郭成

(云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

通过实例对并联电容器的谐振的计算方法、串联电抗器选取与电容器谐振等问题进行了分析，并指出电容器的串抗率选取还应对所有可能出现的运行工部进行全面的谐振点分析计算。

电容器；并联谐振；串联谐振；串联电抗

0 前言

高压并联电容器是电力系统中重要的无功补偿设备，电容器具有提高系统功率因数、改善电压质量、降低网损的优点，但同时也存在谐波谐振的运行风险[1]，这是由于电力系统的谐波阻抗是感性的，而电容器的谐波阻抗是容性的，两者之间必定存在谐振点。谐振点并不能被消除，避免电容器谐振的技术措施只能是让谐振点远离整数次谐波，最行之有效的方法是串联电抗器[2-5]。

在规范中明确了串联电抗器的选取原则。但电容器的谐波谐振事故依然时有发生[6-8]。文中首先阐述了电抗器的选取原则，然后分析了依据《并联电容器装置设计规范》依然有可能产生谐波谐振的原因，最后基于C#开发环境在云南电网电能质量在线监测平台上开发了谐振点扫描计算程序，用于指导工程实践。

1 谐振点计算方法

1.1 并联谐振点

并联谐振发生在电容器RLC支路与等值系统之间，与系统的短路容量具有关联。并联电容器的并联谐振点可按下式估算：

式中Qx——发生n次谐波谐振的电容器容量(Mvar)；

Sd——并联电容器装置安装处的母线短路容量(MVA)；

n——谐波次数；

K——电抗率。

如果式 (1)成立，则并联谐振条件满足。此时的n即为并联谐振点。

1.2 串联谐振点

串联谐振发生在容性电抗和感性电抗相等的串联RLC电路内，与外部系统联系并不紧密。并联电容器的串联谐振点可按下式估算：

式中XC——电容器组的容抗值；

XL——电容器组串联电抗的电抗值；

2 串联电抗器选取与电容器谐振

规范规定了电容器串联电抗器的选择原则[9]：仅用于限制涌流时，电抗率宜取0.1%～1%；用于抑制谐波，电抗率应根据并联电容器装置接入电网处的背景谐波含量的测量值选择。当谐波为5次及以上时，宜取4.5%～5.0%；当谐波为3次以及上时，宜取12%；宜可采用4.5%～5.0%与12%两种电抗率混装方式。

然而在工程实践中，套用 《并联电容器装置设计规范》依然很有可能发生电容器谐振问题，下面就以两个工程算例加以说明。

2.1 对5次背景谐波设置串抗分析

依据技术规范，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为 5次及以上时，宜取 4.5%～5.0%。由于串联谐振点是由串抗率决定且并联谐振次数总是小于串联谐振点，因此，当采用4.5%～6%的串抗时，通过计算可知串联谐振点大致是落在4.47～4.71之间。从而并联谐振点一定是小于4.47，也就不可能落在5次谐波处。从这个方面来讲，此条规定是非常合理的。

但此条规定却有可能导致3次谐波和4次谐波谐振。例如下面的工程算例：在某35 kV变电站的10 kV侧安装两组串抗率为5%的10 MVar电容器组，母线处的短路容量为150 MVA，此时的电容器谐振点计算结果如表1所示，工况1和工况2的并联谐波点为2.98次，非常接近3次谐波频率。

表1 算例1的谐振点计算结果

可见，这种串抗配置方案在此运行方式下极有可能发生3次并联谐振，从而存在电容器损坏的风险。当然，在某种条件下也存在4次并联谐振的风险。

2.2 对3次背景谐波设置串抗分析

依据技术规范，当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3次以及上时，宜取12%；宜可采用4.5%～5%与12%两种电抗率。

同样的，由于串联谐振点是由串抗率决定且并联谐振次数总是小于串联谐振点，当采用12%的串抗时，串联谐振点大致是落在2.88处。从而使得谐振点不可能落在3次谐波以上。从这个方面来讲，此条规定对于避免3次谐波谐振是非常合理的。

但是，当采用4.5%～5%与12%两种电抗率时，会存在两个串联谐振点，其中一个串联谐振点会在3次谐波以上。比如，当同时投入5%与12%两种电抗时，串联谐振点在2.88和4.47处，这样，必定有一个并联谐振点是落在 2.88与4.47之间，从而导致4次并联谐波谐振。从已有的文献资料来看，由于采用4.5%～5%与12%两种电抗率的配置方式，导致谐波谐振损坏电容器组的情况时有发生。

例如下面的工程算例：在某220 kV变电站的35 kV侧安装两组串抗率为5%和12%的10 MVar电容器组，母线处的短路容量为720 MVA，此时的电容器谐振点计算结果如表2所示。在工况1和工况3下的并联谐振点计算结果分别是3.98次和4.06次，非常接近4次谐波频率。

表2 算例2的谐振点计算结果

可见，这种串抗配置方案在此运行方式下是存在一定的运行风险的，极有可能发生4次并联谐振。

3 串联电抗选取的工程实践

通过上述分析可知，在工程实践中简单机械地套用 《并联电容器装置设计规范》依然会发生电容器谐振问题，主要是因为 《并联电容器装置设计规范》的初衷是在3次谐波含量较大时避免发生3次谐波谐振，在5次谐波含量较大时发生5次谐波谐振，但这并不能完全避免4次谐波谐振以和3次谐波谐振情况的发生。因此在工程实践中非常有必要进行各种电容器投切方式下的谐振点扫描。对于有可能产生的谐波谐振问题要具体问题具体分析，合理调整串联电抗的阻抗。

由此，项目在C#开发环境下开发了基于云南电网电能质量在线监测系统的串联电抗器功能模块，为串抗率选择的工程实践提供了一个计算和分析平台。开展谐振点计算，需要输入的参数有：短路容量、电容器容量、串抗率以及电容器组数等参数。模块的操作界面如图1所示，可在相应对话框中输入所需参数，另外，软件还提供了多组电容器投入或退出工况下的谐振点计算，点击“点击添加新参数组”即可。当点击 “计算谐振点”即可实现所有运行组的谐振点计算，目前该模块已经上线运行，对于电容器组的规划设计以及事故分析等均具有重要工程参考价值。

4 结束语

谐振是并联电容器运行的固有特性，特别是在谐波水平较高的配电网，必须装设串联电抗器以避免谐波谐振的发生。然而依据现行的串联电抗器设计原则，并不能完全避免谐波谐振问题。本文通过计算实例分析了产生这一问题的原因，并指出电容器的串抗率选取必须要对所有可能出现的运行工部进行全面的谐振点分析计算。本文最后探讨了谐振点计算的工程实践问题，基于C#开发了谐振点扫描计算程序，并将其集成在云南电网电能质量在线监测系统中。

[1] Ramasamy Natarajan著，徐政，译.电力电容器 [M].机械工业出版社，2010.

[2] 郭成，魏承志.并联电容器谐振的动态特性研究 [J].云南电力技术，2014，42(1)：9-13.

[3] 杨汾艳，徐柏榆，梅桂华，等.交直流混合电网中变电站电容器组串联电抗率选择 [J].电力自动化设备，2009，29(6)：29-34.

[4] 刘书铭，李琼林，等.无功补偿电容器组串联电抗器的参数匹配 [J].电力自动化设备，2012，32(4)：145-150.

[5] 陈鹏云，刘晋，等.500 kV站35 kV无功补偿电容器装置设计问题分析 [J].华中电力，2010，23(4)：14-17.

[6] 李小伟.电容器组串联电器烧毁的原因分析与建议 [J].广西电力，2009(1)：62-64.

[7] 周胜军，林海雪.并联电容器装置中的串联电抗选择 [J] .供用电，2001，18(1)：15-18.

[8] 陶梅，江钧祥.串联电抗器及其电抗率的选取 [J].电力电容器与无功补偿，2010，33(3)：58-61.

[9] GB 50227-2008.并联电容器装置设计规范 [S].2008.

Research and Engineering Practice of Series Reactor Selection in Shunt Capacitor

GUO Cheng
(Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217)

Harmonics resonate the inherent characteristics of shunt capacitor.Series reactor is the most effective method for adjusting the resonant point unable to be eliminated，which could adjust the resonant point away from the integer harmonics.However，resonance cannot be completely avoided simply by applying series reactor design principle，which was analyzed through the engineering examples.Finally，all the conditions of resonant point were analyzed for series reactor selection of capacitor in this paper，and the practical engineering problems of resonant point calculation were further discussed.

capacitor；parallel Resonant；series resonant；series reactor

TM74

B

1006-7345(2014)05-0001-03

2014-07-11

郭成 (1978)，男，博士，高级工程师，云南电网公司电力研究院，主要从事电能质量分析与控制、电力系统分析研究工作 (e-mail)gc325＠126.com。