调谐式电抗电容器组无功补偿及对谐波改善的应用

王纪松

(中国建材国际工程集团有限公司，蚌埠 233018)

调谐式电抗电容器组无功补偿及对谐波改善的应用

王纪松

(中国建材国际工程集团有限公司，蚌埠 233018)

该文主要介绍了调谐式电容器组和谐波滤波器及其补偿系统对提高电能效率和保证电能质量等方面存在的优势，提出了抑制工业和商业建筑设计中谐波恶化系统电能质量的措施，从而降低不良电源质量对电气系统的影响。

谐波； 谐振； 电能质量； 调谐式电容器组

随着社会的发展和工业自动化程度的提高，在公共电网和工业电网中谐波量的不断增加是目前整个电力系统发展过程中出现的共同趋势，这与其工业化的大规模应用以及商用、民用建筑中的电力设备大量使用非线性负载有着直接关系。这些非线性负荷设施通常为二极管整流器或晶闸管，在如风机水泵变频装置、输送传动变频装置、照明灯具、计算器及不间断电源(UPS)等等中都大量使用。当这些非线性用电性质的负荷接入到电网中就会产生大量的谐波电流，并量足够大的时候就会引起电网电压及电网电流的畸变，最终导致电网中电能质量的下降。

为提高电能效率，一般在工程设计中都会采用静态电容器组补偿装置。不论何时，一旦准备在系统母线上连接补偿电容器组，只要在电网或用户设备中有谐波电流或谐波电压存在的同时，就有出现补偿电容器组产生并联谐振或串联谐振现象的可能，并最终将会导致各种故障，例如：电容器故障(变形、膨胀、起火、爆炸……)、设备电压或运行电流总畸变率变大、运行设备状态不正常、电气设备发生故障等等。在这种情况下，配备使用无功功率补偿系统装置时须综合考虑各方面因素。这样，在使用补偿电容器组的系统中，应提前预测到各种可能存在的谐波电流，要充分考虑到产生并联谐振或串联谐振的可能性。为了系统的运行安全，应考虑采用调谐式电抗电容器组或调谐滤波器设备。当使用了调谐式电抗电容器组时，其在改善功率因数的同时，也可以有效地避免谐振现象的出现；在保护补偿电容器的同时，降低了谐波电流对电器设备可能造成的各种危害。当使用调谐滤波器设备时，也可以有效地吸收谐波电流，降低谐波电压，大大降低谐波对电器设备的危害，从而净化电源。

随着时间的推移、社会的发展、技术的进步、工业现代化进程的增速，我们将不得不考虑电源的质量问题以及对应的解决措施。该文将着重分析补偿电容器组的电容和用户电网、供电电网的电感相互之间形成的并联谐振或串联谐振回路同谐波电流之间的因果关系。当并联谐振或串联谐振回路中产生的谐振频率与电网中存在的谐振频率非常接近时，产生的谐振电流随之发生畸变并最终导致电压波形畸变，作者在此简要叙述了抑制谐波的方法。

1 谐波对功率因数补偿电容器的影响

众所周知，由于补偿电容器的容性特点，在电网系统发生共振情况下可明显地改变系统的阻抗特性。电容器组的特性是它的容抗是随系统的频率升高而降低的，因此在系统中使用电容器组可以达到吸收高次谐波电流的作用，但反方面，这种作用的同时会造成温度升高，使得电器设备的绝缘材料的介质应力增加。在实际供电系统中，若非线电磁组件因为工作需要频繁地切换，这时候就会在电源侧(如变压器)会产生相应的谐波电流，这样在工作的同时这些谐波电流也增加了补偿电容器的负担。这意味着补偿电容器的寿命将会由于谐波现象引起的发热和电压增加等问题导致不同程度的缩短。

在电力系统中设计使用补偿电容器组的时候，必须充分考虑到系统中可能产生谐波、谐振的各方面因素，因为系统谐振将会导致系统中出现的谐波电压和谐波电流会明显地高于在系统无谐振发生的情况下出现的谐波电压和谐波电流。

1.1 谐波与相应的并联谐振

变频调速设备容易产生谐波电流，这是大家已经达成的共识，原理是电容器组的容性特性和电网中的感性特性形成了并联谐振回路，而且可被会被放大至10～15倍。图1为并联谐振的典型电路图，其中的谐波电流被放大，图中的电容器组的内部组件会造成温度升高和相应的各方面故障。

1.2 谐波与相应的串联谐振

在电压波形畸变发生在上一级供电网络的系统电压中的情况下，串联谐振回路会在经由补偿电容器组的电容和供电变压器的短路电感之间形成，同时高次谐波电流会由于串联谐振回路会的形成被吸引流入补偿电容器组。

图2为串联谐振发生的典型电路图，串联谐振一般会导致在变压器的低压侧出现较高的电压波形畸变。

2 调谐式电容器组和谐波滤波器应用分析

在谈论提高电力系统的电能效率时，最关心的是采用何种形式可以取得最大效果，并同时能够确保电网及电力系统的电能质量。如果设计中仅仅考虑采用无功功率补偿系统来提高电力系统的电能效率，而不知道如何避免电容器组与系统产生的并联或串联谐振，就不会得到任何有用的效果，并有可能会造成很大的损失，这是一个值得加倍小心的问题。

按照“GB/T 14549—93、IEEE 519—1992”标准，在电力部门对谐波量有限制的地方，安装滤波电容器组是必须的。图3是在实际应用中设置5次、7次、11次3个不同分支路滤波电容器组的典型示意，在实际应用中，根据需要吸收的谐波量和需要补偿的无功功率容量来考虑设置滤波分支路的数量。在有些比较简单的工况情况下，仅设置一个滤波分支路就可满足电压波形畸变限制和无功功率补偿需要的要求。

根据“IEEE 519—1992”标准，基波电压的3%为单次谐波电压畸变率允许范围。例如，某些情况下，补偿电容器在电力系统母线上没有配置，并且实际上非线性负载在电气设备占的比重较小，经实际现场测量，单次谐波电压畸变的值也低于要求的3%，这种情况下将负荷接至母线上就较为简单。但同时也需注意，在任何情况下，只要把不带电抗器的电容器组件连接在相应的电力母线上，就不可避免地会出现或多或少的并联或串联谐振频率。如果出现的谐振频率正好与某些谐振频率重合，那么谐波电压和谐波电流就可能会被明显放大。在此种情况下，如果没有谐波限制措施，谐波的主要成分都将会被注入到上级电网。

图4是关于调谐式电容器组的典型例子。在此种情况下，我们要根据负载功率因数和目标功率因数的实际情况计算所需段数，通常我们都要根据规定的电压畸变限制值来进行设计。比如：低压母线的电压畸变限制值要求为：U3RD=0.5%；U5TH=5%；U7TH=5%。一般情况下，典型调谐频率通常为204 Hz和189 Hz，对应的分别是6%的电抗器和7%的电抗器。两者对比，7%的电抗器比使用6%电抗器允许连接更多的非线性负载相。另一方面，电抗器铁芯的线性度也是设计时必须要考虑的问题，以保证其在涌流发生时和在系统额定电压发生畸变的情况下不能出现饱和状态。

当我们设计无功功率补偿系统时，假如是一个全新的项目，设计的时候不能确切知道有什么样的负荷，我们只能按照通常较合理的方法来进行设计，一般是采用高于系统电压的额定电压(例如400 V系统采用525 V电容器)来选择补偿电容器组。如果我们采用较高额定电压的补偿电容器组，这样在将来如有负载会产生较严重谐波的情况，我们不需更换补偿电容器组，仅需增加相应的电抗器即可，这样就提高了项目的灵活性和拓展性。

不论任何项目，只要有可能造成补偿电容器组周围温度太高，并可能超出其温度上限值的最高允许值时，则需要针对补偿电容器组装置增加专用的冷却风系统。特别是在采用调谐式或滤波电抗器的柜体内，因为与纯粹的补偿电容器组相比，电抗器本体运行时会产生更大的热量。

3 解决电力低压系统中谐波谐振危害的应用实例

例1:不间断电源UPS电容补偿引起谐波放大的解决方案：

在一个商业大楼内，发现诸多补偿电容器组因过热而损坏，并发现损坏的是连接在供给计算机不间断电源UPS变压器的补偿电容器组上的，补偿是由自动功率因数控制进行的。通过专用仪器现场对谐波进行监测，图5表示测得实际供电变压器基波和谐波电流以及供电电压波形的总谐波畸变率(THD)。从图5中可知，两段50 kvar的电容器在投入后，实际出现非常严重的并联谐振现象，监控发现将30 A的由UPS产生的11次谐波电流放大到了10倍，峰值最高竟然达到了283 A，对应的电压波形的总谐波畸变率(THD)也增大了19%。

图6为在电容器组侧通过仪器检测的电流结果。从图6中可知，当两段50 KVAR的电容器组投入，电容器上通过的监测电流的有效值(RMS)是364 A，等于额定电流2.5倍的电流通过了电容器，这就从一方面解释了为什么电容器容易损坏(电容器过流能力一般是额定电流的1.3倍左右)。从以上两个实测的例子看，可确认谐振现象在供电系统中是普遍存在的，因此在设计工作中，当采用无功补偿系统时，应当优先选用7%电抗器的调谐式电容器组。

图7为带7%电抗的新电容器组投入运行后，相同工况针对供电系统电流以及电压波形的总谐波畸变率(THD)的再次测量结果。从图7中可以发现，在安装了调谐电容器组后，通过在最大非线性负载下对调谐电容器组进行测试，几段电容器经过不同方式的投入工作，皆没有产生较大的谐振，也没有较大谐波电流现象的发生。

图8是在对调谐电容器组侧进行电流测试的结果，几段电容器无论采用何种方式投入，其谐波电流均没有超过限制值。

例2: 提高功率因数的补偿电容器引起谐波电流放大的解决方案：

在一个企业配电系统中装置的补偿电容器总容量小，不能达到提高功率因数的目的。经设计进一步计算需增容安装400 kvar的补偿电容器组方能满足上级规定的功率因数要求。通过现场对谐波进行测量，如图9所示，企业500 kVA变压器供电稍有过载，5次谐波电流为62 A，是基波电流的9%。当电容器组投入时，由于无功得到了补偿，基波电流降到492 A，可是5次谐波电流却放大到456 A，是基波电流的93%，电压的总谐波畸变率(THD)增加到16.2%，这种供电质量是企业用电设备不能接受的。最后决定切除原有的电容器组调谐式电容器组，改为使用调谐式电容器组，以确保所有用电设备有良好的供电质量。

例3: 原有电容补偿引起谐波电流放大的解决方案：

在一个企业配电系统中发现150 kvar的补偿电容器组经常故障，为了彻底消除频繁的故障，通过现场对谐波进行测量，如图10所示。测得补偿电容器上电流的有效值(RMS)是371A，主要谐波分量为11次。

测得补偿电容器有效电流相当于额定电流的1.71倍，这就说明了补偿电容器损坏的原因。由于电压的总谐波畸变率(THD)即使不投入电容器也高达8.1%，该企业决定使用滤波电容器组进行无功补偿，以确保所有用电设备有良好的供电质量。

例4: 利用谐波滤波器改善功率因数和谐波的解决方案：

在一个企业配电系统中采用什么样的无功补偿才能达到改善功率因数满足上级规定的要求。通过现场对谐波进行测量，电压的总谐波畸变率(THD)是12%，如图11所示，不带电抗器的补偿电容器组是不能使用的。应采用滤波电容器组进行无功功率补偿，从图中可以看出，当所有滤波器都投入使用，电压的总谐波畸变率(THD)从12%降到2%。这种供电质量是低压供电系统所希望的。同时，由于无功功率得到补偿，大量谐波电流被吸收，企业用电设备的基波供电电流也得到了大幅度下降，供电质量达到了规定的限定值。

因此，在设计和实际中应用谐波滤波器是改善功率因数和谐波的最明智选择。

4 结 语

通过大部分例子我们可以发现，在公共电网中的谐波水平达到或超过临界规定值以前，在工业应用及商用建筑大楼的用户电网系统中各种谐波问题已经广泛存在了。在用户电网系统中，若使用了大量不带电抗器的电容器组，在运行过程中就会引起不同的谐振现象，并在装有补偿电容器组的母线上引起并放大了相应的电压畸变，最终会造成用户设备的损坏或者发生事故。因此，对电力用户而言，深入了解运行过程中可能发生的谐波问题，并将谐波畸变控制在限定值内非常重要。

通过以上几个不同情况的例子分析可以得到，我们必须将谐波观念铭记在心并落实到日常的设计工作中来。只要妥善设计，提前综合考虑，我们是可以在工作中将谐波和谐振情况提前解决和避免的，并最终保持一个绿色健康的公共电网。

[1] GB/T 14549—1993，电能质量——公用电网谐波[S].

[2] IEEE 519—1992，电源系统的谐波控制的推荐实施规范和要求[S].

[3] GB 50227—2008，并联电容器装置设计规范[S].

[4] GB 50189—2005，公共建筑节能设计标准[S].

[5] JGJ/T 229—2010，民用绿色建筑设计规范[S].

[6] GB/T 23331—2012，能源管理体系要求[S].

Application of Reactive Power Compensation and Improvement of Harmonic for the Tuning Type Reactance of Capacitor Group

WANG Ji-song

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd，Bengbu 233018，China)

In this paper,we introduces how to use the tunable capacitor group harmony wave filter and the compensation system to improve and guarantee the electric energy efficiency,and puts forward how to suppress harmonic system due to deterioration of electric energy quality in industrial and commercial building system,in order to reduce the adverse effect of the power quality of electric energy system.

harmonic; resonance; the quality of electric energy system; the tuning capacitor group

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.02.022

2014-12-05.

王纪松(1976-)，高级工程师.E-mail:wjs@ctiec.net