高次谐波对低压并联电容器装置的影响及解决方法

陈太虎 周建强 安建永

摘  要：介绍了高次谐波对电容器装置的干擾影响、产生原因以及可能造成的危害。介绍了串联6%电抗器对谐波放大的抑制作用，经多个工程验证，是一种保证电容器安全运行的好方法。

关键词：高次谐波;电容器;串联电抗器

中图分类号：TM761         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0139-02

Abstract： This paper introduces the causes of the interference of high order harmonics on the capacitor device and the possible harm. It also introduces the suppression effect of series 6% reactor on the harmonic amplification， thereby is a good method to ensure the safe operation of the capacitor， which has been verified by several projects.

Keywords： high order harmonic; capacitor; series reactor

1 概述

在低压配电系统中，普遍采用电容器来补偿感性无功功率，使系统平均功率因数达到供电部门的要求。由于电容器补偿低压系统的无功功率后，可以增加变压器对有功功率的供电容量，具有显著的节电效果。

但是随着带整流器的设备如直流调速装置、变频调速装置、UPS电源装置，以及软起动器、新型节能电光源等产生高次谐波电流的电气设备应用越来越多，出现了许多的因谐波造成电容器过流损坏的实例，也有因谐波造成电容器前置熔断器反复熔断，电容器无法投运的实例。因此，高次谐波对电容器装置的危害问题必须引起重视。

供用电系统中接有各种产生高次谐波的设备。凡是电压与电流关系是非线性的元件都是谐波电流源，如荧光灯、变压器的激磁电流、整流器等，都会向系统输送谐波电流。高次谐波对许多电气设备都有危害，其中电容器对谐波更为敏感。因为电容的容抗是与电源频率成反比的XC=■，频率越高容抗越小，即使不很大的谐波电压，也会有很大的谐波电流，造成电容器过电流。尤其是当电容器在某次谐波频率时的容抗与系统电感对该次谐波频率的感抗相等时，便会发生谐波谐振，谐波电流和谐波电压急剧增大，会对电容器装置和其他电气设备造成损坏。

解决这个问题比较简单有效的方法就是在电容器回路中加装串联电抗器。串联电抗器除了限制合闸涌流外，还有一个重要作用就是抑制高次谐波电流，同时防止高次谐波造成谐波谐振的事故。由于电容柜中串联电抗器的工频感抗是与电源频率成正比，即XL=？仔fC，在高频下感抗增大，所以串联电抗器能有效抑制谐波电流，防止电容器过流损坏，也防止了由于高次谐波存在，电容器保护装置动作，电容器无法投运的状况。

整流设备是最主要的谐波源。对于通常应用最多的六相整流来说，主要有：5、7、11、13次谐波。12相整流主要有：11、13、23、25次谐波。即高次谐波的频率都在250Hz以上。

2 串联电抗器的选择

电容器串电抗后形成一个串联谐振回路，在谐振频率下呈现很低的阻抗（理论上为0），如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致，则成为滤波回路，如果只吸收少量谐波，则称为失谐滤波回路。

失谐滤波回路的主要用途是防止谐波放大，滤波效果不大，串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率，即设定为基波频率的3.8～4.2倍。

计算公式为：

电抗器电抗XL=电容器容抗XC的百分比（x%）

或者：

电抗器功率QL=电容器基波容量QC的百分比（x%）

电抗器电抗或容量一般为电容器容抗或容量的6～7%。

串联谐振频率按下式计算：

在选择x=6%时，谐振次数为vr=4.08。

失谐滤波回路只吸收少量5次及以上的谐波，谐波源产生的谐波大部分流入电网，电容器容量根据预计达到的功率因数值确定。

以5次谐波为例。

电抗器对5次谐波的感抗（工频时的感抗XL=6%XC）

XL5=5XL=5（6%XC）=30%XC

电容器对5次谐波的容抗

即对于5次谐波，电容柜的感抗己经大于容抗（对于5次以上谐波更是如此）。根据阻抗分流原理，谐波电流不会流入阻抗大的支路，这就从根本上消除了系统发生谐波谐振的可能性。

3 工程实例

下面介绍串联电抗器的实例。

某大楼供用电系统中装有16组30kvar的普通低压电容器柜，电容器柜联接到400V/50Hz电网，电源变压器10kV/400V，SN=1600kVA，Ucc=5.5%，大楼主要负荷为变频调速装置、UPS电源装置、新型节能电光源等。但是在不到一年的时间内，电容器柜内频繁出现电容器过流损坏、熔断器熔断的故障，电容器柜长期无法正常使用，而且故障原因始终无法查明，致使高压进线的功率因数达到供电部门的要求，功率因数只有0.83，因此每个月的罚款高达八万元。经过测试发现故障原因是由于谐波放大引起的，测试结果如图1、图2。

经过在电容器回路安装6%的串联电抗器，上述电容器过流损坏、熔断器熔断故障的情况完全消失了。系统的平均功率因数由改造前的0.83提高到改造后的0.95以上，达到供电部门的要求，经过测试谐波情况也得到了明显的改善。测试结果如图3、图4。

4 结束语

随着科技的进步，整流设备如直流调速装置、变频调速装置、UPS电源装置等，以及软起动器、新型节能电光源等可产生高次谐波电流的电气设备会得到更多的应用。因此，高次谐波对电容器装置的危害这一问题是不容忽视的。笔者认为在电容柜设计时，应考虑采用电容器串联电抗器的方案，以保证设备安全可靠运行。

参考文献：

[1]刘琳，谭光道，刘向辰.电机驱动电路高次谐波抑制研究[J].微电机，2019，52（12）：65-69.

[2]滕广琴.浅谈变频器高次谐波的危害及抑制措施[J].科技风，2019（34）：134.

[3]汪旭东，史凯宁，许孝卓，等.基于模糊随机PWM技术的永磁直线电机性能分析[J].传感器与微系统，2019，38（12）：21-24.