煤矿供电系统无功补偿电容器串联电抗器的选择

王 强

（潞安矿业集团公司供电处，山西 长治046204）

0 引言

虽然在供电系统无功补偿领域，随着电力系统的发展，逐渐要求对负载无功需求跟踪并对其进行快速动态补偿的需求越来越大，尤其静止无功补偿装置（SVC）和静止无功发生器（SVG）近年来得到了很大的发展， 但是无功补偿电容器作为传统的无功补偿方法有其经济方便、结构简单、安装维护工作量小、等诸多优点，现在国内外仍有广泛的应用。在很多煤矿供电系统里，大多6、10kV 母线依然采用并联电容器进行无功补偿，但是煤矿供电负荷中有大量的整流器、变频器、电弧焊机等谐波源，针对谐波对并联电容器的直接影响，通常还是给并联电容器串接一定的电抗器以改变并联电容器与系统阻抗的谐振点以及抑制并联电容器对谐波的放大，同时起到限制合闸涌流的作用。 不过多年来变电所内由于电抗率的不匹配造成电容器的损坏，局部绝缘击穿等问题仍时有发生，一是新安装时测量的误差和后来谐波源的变化；二是运行单位发现一个电容器损坏后，未能及时补充，而是为了三相平衡把另外非故障的那两相各拆除一个，运行一段时间后，坏的更多。 总的来说，电容器组电抗率的准确匹配关系到电网的安全稳定运行，其计算方法也是供电工程技术人员应该掌握的。 本文通过我公司某110kV 变电站6kV 侧并联电容器分析计算电容器组的电抗率。

1 实例分析

1.1 某110kV 变电站基本情况

110/35/6kV 主变，容量为S 为40MW，短路容量Sd 为235.3MW，6kV 侧两组额定容量Qc 为2400Kvar 的电容器组，未接入自备电厂电源和煤矿风井前，配置了电抗率为1%的串联电抗器，容量为24Kvar，电容器组投入运行后，测得6kV 母线电压畸变率1.35%，其中3 次谐波畸变率1.05%，在一段时间内，电容器组运行正常。 后来随着连续接入两个风井， 原来带的主要是供社区用电的一个35kV 站不再用本站电源，再后来一个老的自备火力发电厂改由本站并网，由于装机容量小，而其自带一个大的煤矿，电厂一般不会向电网输电，就在本站系统连续变化的两年多，电容器连续损坏好几个，后来测得6kV 母线电压畸变率4.75%超过了公用电网谐波电压4%的限值， 其中3 次谐波畸变率1.4%，5 次谐波畸变率3.33%超过了公用电网谐波电压3.2%的限值。在这样的谐波背景下，电容器组原来配置的电抗率1%的串联电抗器还可以继续运行吗？ 现进行计算分析选择。

1.2 电抗率的计算分析选择

电力系统中主要谐波源是电流源，其主要特征是外部阻抗变化时电流不变，故其简化电路就是某次谐波从谐波电流源In 出发，分为两个并联回路，一个回路是电网系统Isn,另一个回路是串联电抗器的电容器组Icn,设系统基波电抗为Xs,串联电抗器的电容器组的基波电抗为Xl-Xc。 则电抗率K=Xl/Xc，系统谐波电抗为Xsn=nXs，电容器组谐波电抗nXl-Xc/n(对于系统的n 次谐波电阻Rsn＜＜Xsn,故可忽略Rsn)。

根据定压和分流原理得：

当上式中(nXs+nXl-Xc/n)数值等于零时，即从谐波源看入的阻抗为∞，表示电容器装置与电网在第n 次谐波发生并联谐振，并可推导出电容器装置的谐振容量

（1）谐波避免谐振分析

计算电抗率选择1%时， 发生3 次、5 次谐波谐振的电容器容量，将有关参数代入式（2），得3 次、5 次谐波谐振电容器容量分别为

由此可见，2400 Kvar 的电容器组配置电抗率为1%的串联电抗器不会发生3 次、5 次谐波并联谐振或接近于谐振。

（2）谐波电压放大率分析

由于谐波源为电流源， 谐波电压放大率与谐波电流放大率相等，故由式（1）整理推导可得

谐波电压放大率F=｜(n^2K-1)/(n^2s+n^2K-1)｜（其中s=Xs/Xc=Qc/Sd） （3）

现在国内对无功功率电容器串联电抗器的电抗率参数只有1%、4.5-6%、12-14%，并且我国电网普遍存在3 次、5 次谐波，现在将该变电站的2400 Kvar 无功补偿电容器组分别按照1%、4.5%、12%的电抗率配置，根据式（3），计算得电容器组对1～5 次谐波电压放大率F 结果如下表所示:

表1

从上表可以看出， 该110kV 变电站6kV 母线2400Kvar 并联电容器组选用电抗率1%的串联电抗器， 对3 次、5 次谐波电压产生了放大，其中对3 次谐波电压放大率F 为1.11，对5 次谐波电压放大率F为1.48。投入运行后5 次谐波超过了公用电网谐波电压（相电压）3.2%的限值。 故该站6kV 母线并联电容器组选用电抗率为1%的串联电抗器是不合理的。 后来通过厂家改造，配置了电抗率为4.5%的串联电抗器，测得6kV 母线电压畸变率2.45%，其中3 次谐波畸变率1.38%，5次谐波畸变率1%，与计算基本相符。

2 总结和建议

电抗率的选择比较复杂，因为电力谐波本身是不稳定的，大小和频次都可能变，随着负荷不断地变化，谐波的变化更大。对配置好的电容器组电抗率，对某次谐波起到了抑制作用，但对其他某次谐波可能就放大了好多。一般情况下，系统谐波背景以3 次为主的话，选择无功补偿电容器组电抗率12%-14%；谐波背景以5 次为主的话，选择电抗率4.5%-6%；如果3、5 次谐波电压的畸变率都不大，在谐波电压放大后都未接近或超过国家公用电网谐波电压的限值，只是想避开谐振和抑制高次谐波的话， 选择电抗率1%即可， 同时可减小无功功率的损失；但是也存在测量的不准确和电容电抗制造的误差等，是实际安装运行的电抗率并不是设计计算出的电抗率，从实践中得出，选择电抗率适当高一点，对电网的安全运行或有好处。总之，建议对于已经投运的电容器装置，其串联电抗器选择合理与否需进一步验算，随着电源和负荷的变化，及时了解电网谐波背景的变化，并不定期组织现场实测。对于电抗率选择合理的电容器装置不得随意增大或减小电容器组的容量，对于损坏的电容器要及时更换。

［1］王兆安,等,编.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社,2005,10.

［2］王正风.无功功率与电力系统运行[M].中国电力出版社,2012,02.