抑制谐波电流放大的无功补偿措施探讨

李　珺,　田正其,　周　超,　纪　峰,　周和平

(1.江苏省电力公司 电力科学研究院, 江苏 南京　211103;

2.国家电网公司 电能计量重点实验室, 江苏 南京　211103;

3.华立仪表集团股份有限公司, 浙江 杭州　310023)



抑制谐波电流放大的无功补偿措施探讨

李珺1,2,田正其1,2,周超1,2,纪峰1,2,周和平3

(1.江苏省电力公司 电力科学研究院, 江苏 南京211103;

2.国家电网公司 电能计量重点实验室, 江苏 南京211103;

3.华立仪表集团股份有限公司, 浙江 杭州310023)

摘要：用电负荷产生的各次谐波电流,在流经系统等值感性阻抗与无功补偿电容器组的容抗所形成的并联回路时,使其各支路的谐波电流被放大,直接威胁到电容器组的安全运行。针对这一问题,在电容器组回路中串接一定量值的电感线圈,在各次谐波作用下,使其回路阻抗呈现为感性,有效地限制了谐波电流,并收到良好效果。

关键词：谐波电流; 补偿电容器; 星形连接; 技术措施

0引言

为减少无功在电力系统中的流动,提高电力设备的利用率,并降低线路损耗,变电所公配变实施了无功补偿。用电负荷产生的大量谐波电流主要是以3次和5次谐波为主,根据国家GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波要求》,在注入到电力系统时并未超出标准,但在投入无功补偿电容器组时,因电容器组的容抗值与系统的等值阻抗形成并联电路,使其各支路谐波电流被放大,导致无功补偿电容器组不能正常工作,甚至烧毁。针对这一问题,本文通过串接在电容器回路中的电感线圈在高次谐波时使其回路总的阻抗呈现感性,大大降低了各支路谐波电流,保证电容器安全运行。

1实例

某公共配电变压器容量为400 kVA,接线组别为Y/yo-12点,供电电压等级为10/0.4 kV,采用三相四线制供电方式。供电方式如图1所示。

图1　供电方式

在变压器投入运行后发现,粘贴在补偿电容器组上的试温蜡片呈现红色,说明运行的电容器已经超过正常温度值,此时无功补偿电容器组被迫停运。因此,在变压器二次主0.4 kV侧进行了谐波电流测试,并依据GB/T 14549—1993标准与电压等级为0.38 kV、基准短路容量为10 MVA的电力用户向公共连接点注入的谐波电流允许值进行比对。公共接点注入谐波电流允许值与实测值如表1所示。主变压器S11参数如表2所示。

表1　公共接点注入谐波电流允许值与实测值　A

表2　主变压器S11参数

2数据分析

从表1可见,注入到变压器二次主侧的各次谐波电流均未超出规定的允许电流值,无需采取滤波措施。无功补偿电容器组采用三角形接线方式,在电容器组投入运行后,电容器的容抗与系统等值感性阻抗形成并联回路,对各次谐波电流形成分流,使其流入到系统和电容器组的谐波电流被放大。供电方式的简化电路如图2所示。

图2　供电方式的简化电路

图2中,Ifn为谐波电流源;Ifn1为注入到系统中的谐波电流;Ifn2为流经电容器中的谐波电流;Ijb为系统基波电流;Ijb1为流经电容器中的基波电流。系统等值阻抗是10 kV母线短路阻抗为计算依据,母线短路阻抗又是以变压器漏阻抗为主,无功补偿电容器组安装在低压0.4 kV侧,因此变压器漏阻抗要按0.4 kV侧进行计算,即

(1)

式中: ΔPto——变压器额定铜损功率;

I1e——变压器一次侧额定电流;

K——电压变比;

Ud——短路电压。

将Ud=400 V、ΔPto=4.3 W、k=25、I1e=23.1 A代入式(1),得ZT=0.016∠82.4° Ω。

电容器无功补偿容量一般取功率因数补偿前的值,cosφ1=0.85,补偿后要求达到1。用电负荷系数按Fx=0.8进行计算,因此无功补偿电容器的容量为

Qbc=SeFxcosφ1(tanφ1-tanφ2)=

400×0.8×0.85×0.62=168.64kvar

每相无功补偿容量为

Qx=Qbc/3=168.64/3=56.2kvar

每相电容器的相电流为

Icx=Qx/Uxx=56.2/380=147.89A

每相电容器的容抗为

Xc=Uxx/Icx=380/147.89=2.57Ω

无功补偿电容器组投入运行后,为计算出流经系统和支路的谐波电流,将电容器组三角形接线方式的阻抗等效成星形接线方式的阻抗。角星阻抗变换如图3所示。

图3　角星阻抗变换

三角形接线方式的阻抗变换成星形接线方式的阻抗的表达式为

(2)

因每相电容器的容抗值相等,将Xc=2.57 Ω代入式(2),得出星形接线方式的每相容抗值为

ZA=ZB=ZC=2.57/3=0.856Ω

3次谐波电流在注入到电网时与无功补偿电容器组形成分流,无功补偿电容器组经三角形接线方式与星形接线方式的阻抗转换,并与系统阻抗形成并联电路。3次谐波等值电路如图4所示。

图4　3次谐波等值电路

在3次谐波分量的作用下,系统短路等值阻抗模数值为

补偿电容器的容抗模数值为

ZC3=ZA/3=0.856/3=0.285Ω

因各支路电阻所占其阻抗比例很小,可认为R=0,则3次谐波电流I3流入系统中的谐波电流为

流入电容器中的谐波电流为

根据GB/T 14549—1993,当补偿电容器组投入运行时,3次谐波电流及其他各次谐波电流均被放大。从上述计算结果可知,注入到电网中的3次谐波电流已达到极限值,同时流入到补偿电容器组的谐波电流将导致电容器组因过电流而发热,已威胁到补偿电容器的安全运行。

3技术措施

为防止3次谐波电流被放大,补偿电容器组采用星形中性点不接地方式,使其谐波电流无法构成回路。对于5次谐波分量可以通过串接电感线圈的方法,使其回路呈现感性,限制谐波电流被放大,即

(3)

式中:Kxs——防止谐振系数;

XL5——串接线圈的感抗值;

XC5——容抗值。

如果补偿电容器的容量按组数平均分配,式(3)中的容抗值应是每组每相的容抗值,否则就取容量最小的每组每相的容抗值,因为电感线圈感抗值与每组电容器的容抗值之比满足Kxs≥2.0,其他电容器组投入运行均能达到要求。无功补偿电容器按容量平均分为四组,每组每相的容抗值为

XC11=4ZA=4×0.856=3.424Ω

在5次谐波分量的作用下,各支路的串接电感线圈的感抗值为

XL5=2.0XC5=2.0×(3.424/5)=1.369Ω

电容器支路呈现感性阻抗为

ZL5=XL5-XC5=1.369-0.684=0.685Ω

系统短路等值阻抗为

ZT5=0.016×5=0.08Ω

流入系统中的5次谐波电流为

流入电容器中的5次谐波电流为

从上述计算结果可知,在补偿电容器组中适当串接一个电感线圈,使其电容器回路呈现感性阻抗,可有效地抑制谐波电流被放大。对于5次以上谐波电流,同样起到抑制作用。补偿电容器组与电感线圈接线方式如图5所示。

对于Y,yno接线方式的变压器,因用电负荷产生的3次谐波电流及三相负荷不对称产生的零序电流,它们除频率不同外,其三相电流相位一致,通过变压器二次侧绕组与中性线形成回路,并在变压器铁心中产生3次谐波磁通和零序磁通,其在三相铁心磁柱中无法形成闭合回路,势必通过固定铁心的附件、绝缘油(空气)及油箱壁进行流通,引起涡流损耗,造成局部温度升高,加速绝缘老化,增加损耗,直接威胁变压器的运行。因变压器一次侧绕组无中性线引出,故一次侧绕组中无3次谐波电流,其中包括3次幂指数谐波电流和零序电流。故Y,yno接线方式的变压器无法抑制3次谐波电流和零序电流所产生的磁通。

图5　补偿电容器组与电感线圈接线方式

若将变压器Y,yno接线方式更改为D,yn11接线方式,则3次谐波电流及零序电流可在三角形绕组中形成环流并在铁心中产生磁通,对原有的3次谐波磁通和零序磁通起到去磁作用,且削弱了感应电动势,减小了涡流损耗,主磁通电动势波形接近于正弦波形。故变压器D,yn11接线方式可有效地抑制3次幂指数谐波分量和零序分量,减少了变压器额外损耗,提高了变压器运行的可靠性。

4结语

在补偿电容器组回路中串接一个电感线圈,有效地抑制了谐波电流被放大。经改造后发现,在运行的一年多时间里,补偿电容器组再未出现过高温现象。将变压器Y,yno接线方式更改为D,yn11接线方式,可有效地抑制3次幂指数谐波分量和零序分量,保证了电容器组的安全运行。

参考文献

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[3]吴大榕.电机学[M].北京:电力工业出版社,1986.

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[4]刘忠,谢亮.居民区配电房智能运行系统的研究与实践[J].江苏电机工程,2013(2):50-53.

王维军(1976—),男,从事建筑电气工程技术应用方面的研究。

Discussion about Measures of Suppress Harmonic Current Amplification for Reactive Power CompensationLIJun1,2,TIANZhengqi1,2,ZHOUChao1,2,JIFeng1,2,ZHOUHeping3

(1.Electric Power Research Institute of Jiangsu Province Electric Power Company, Nanjing 211103, China;

2.Key Laboratory of Electric Energy Measurement of State Grid Power Company, Nanjing 211103, China;

3.Holley Metering Group Co., Ltd., Hangzhou 310023, China)

Abstract：Generated electricity load harmonic current,flowing through the system equivalent inductive impedance and capacitive reactive power compensation capacitor group formed parallel circuit,the branch of harmonic current is amplified,a direct threat to the safe operation of the capacitor group.To solve this problem,in the circuit of capacitor bank on received a certain amount of value of inductance coil,under the action of each harmonic,the loop impedance is inductive,effectively limits the current harmonics,and received good results.

Key words:harmonic current; compensating capacitor; star connection; technical measures

收稿日期：2015-04-13

中图分类号：TU 852

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2015)06-0042-04