电缆电容对港口供配电系统谐波放大作用的分析

初洋

（山东港通工程管理咨询有限公司,山东 烟台264000）

直流输电工程项目的展开,使得电网当中产生的谐波含量不断增加,进一步影响电能质量,对于港口供配电系统中各个用电设备的安全运行造成严重的威胁,从而降低港口企业的经济效益[1]。针对这一问题,开展电缆电容对港口供配电系统谐波放大作用分析研究。

1 电缆电容器组运行限值

在港口供配电系统当中,根据日常运行的供配电需要,电缆电容通常采用由微机控制的并联式电缆电容设备组成,针对其运行的各项需要,在正式使用电缆电容前,需要对其基波无功功率进行分相分析,但由于在运行过程中会产生谐波并且随之而来的放大作用,在不进行任何补救措施下,谐波的不断叠加会直接影响供配电系统线路的工作电压,使其出现上升的趋势,进而出现过载现象。进一步造成注入到电缆电容当中的谐波容抗以及供配电系统感抗逐渐趋近于相同,引起二者之间的谐振作用,造成电缆电容的严重损坏,甚至发生爆炸,威胁到港口供配电系统中其他真正在运行设备的安全性[2]。根据港口供配电系统的运行标准,电缆电容在实际运行过程中的参数可以比额定值稍高,并在满足供配电系统安全运行的前提条件下,得出如表1 所示的运行限值。

表1 电缆电容器组运行限值

表1 中的电缆电容器组运行限值是在允许港口供配电系统长时间运行的前提下得出。但在实际情况中,电缆电容由于处于长时间的临界状态。虽然不会产生绝缘击穿等安全事故问题,但由于受到谐波放大作用的影响,电缆电容器组的介质损耗会不断增加,进而造成电缆电容的额外发热,最终影响电缆电容的使用寿命。

2 电缆电容谐波电流放大机理

根据港口供配电系统的导则规定,在规格为55～220kV 的变电站的站中,电缆电容通常设置在变压装置低压侧位置上；对于供电距离相对较远、末端电压低于12.5V 的架空线路上,通常利用电缆电容进行无功补偿[3]。首先,考虑电缆电容安装在变压装置低压侧位置的情况,将港口供配电系统产生的谐波看作是恒流源,得出如图1 所示的港口供配电系统连线图。

图1 港口供配电系统连线图

再根据图1 中的连线情况,对电流和电压的流动方向进行分析,得出如图2 所示的港口供配电系统等值电路图。

图2 港口供配电系统等值电路图

结合图1 和图2 中的港口供配电系统电流和电压传输情况得出：

第一,当电缆电容之路谐波电抗与港口供配电系统谐波电抗之比大于零时,电缆电容之路上的阻抗呈感性,供配电系统与电缆电容之路均不会出现谐波电流放大的现象[4]；

第二,当电缆电容之路谐波电抗与港口供配电系统谐波电抗之比等于零时,电缆电容之路上的阻抗呈阻性,此时谐波次数逐渐增加,并使得谐波电流严重放大。当电缆电容中电抗值在谐波放大作用下,并联的电缆电容之路总电抗会逐渐趋于0；

第三,当电缆电容之路谐波电抗与港口供配电系统谐波电抗之比大于1,但小于0 时,电缆电容之路上的阻抗呈容性,电缆电容会吸收部分的谐波,并发生电缆电容谐波电流增加的现象,而港口供配电系统的谐波电流也会在一定程度上受到抑制；

第四,当电缆电容之路谐波电抗与港口供配电系统谐波电抗之比等于-1 时,此时港口供配电系统的支路和与之并联的电缆电容之路的谐波电流会逐渐增加,并最终达到最大值,伴随着谐波并联谐振的产生,如图3 所示。当发生并联谐振时,工频条件下的供配电系统感抗数值较大,较小的激励电流会产生巨大的电压,并使得公共连接点的谐波电压逐渐增加,最终引起港口供配电系统低压母线电压谐波含量的快速增加,在最短的时间内使谐波电压超出规定标准范围；

图3 电缆电容谐波电路图

第五,当电缆电容之路谐波电抗与港口供配电系统谐波电抗之比小于-1 时,则电缆电容会向港口供配电系统倒送谐波电流,供配电系统谐波电流则仍然存在较大的放电可能性。

3 电缆电容谐波串并联谐振

在港口供配电系统处于工频条件下,电缆电容的等效感抗通常会比实际的等效容抗更小,因此不具备产生谐振的条件。但在这一过程中,随着港口供配电系统的谐波产生,并随着叠加造成更加明显的谐振现象,相应的供配电阻抗也会发生巨大的变化,使得感抗表现出大幅度的增加趋势,进而造成容抗减小。因此,针对工控供配电系统电缆电容谐波谐振的参数匹配条件,将其划分为串联谐振和并联谐振两种不同情况。表2 为串联电缆电容、并联电缆电容和主变压各参数对应表。

表2 串联电缆电容、并联电缆电容和主变压参数表

根据表2 中的内容,在明确不同电缆电容设备类型的前提条件下,再结合表3 中港口供配电系统中、低压测负载情况,对串联谐振和并联谐振两种情况进行分析。

表3 港口供配电系统中、低压测负载情况

当发生串联谐振时,电缆电容的容抗和感抗相同,则电路当中的电压和电流相位相同,使电路整体呈现出明显的电阻性。当港口供配电系统电缆电容发生串联谐振时,电路当中的总阻抗达到最小时,使电流达到最大值。当发生并联谐振时,确保港口供配电线系统始终处于正常运行状态当中,电缆电容的容抗和感抗始终存在着较大的差异,并且电路当中的电压和电流相位也不相同,电路整体呈现出明显的电容性。无论是串联谐振还是并联谐振,其产生时均需要满足相同的谐振频率、谐振谐波次数和电容电感的电抗。但串联谐振和并联谐振产生时,其电路的品质因数存在较大的差异。

4 结论

本文通过开展电缆电容对港口供配电系统谐波放大作用分析研究,从电缆电容的运行限值出发,得出港口供配电线同谐波对电缆电容各项主要运行指标的定性均造成一定程度的影响,并进一步得出电缆电容谐波放大效应与谐波谐振参数匹配条件,得出电缆电容综合谐波阻抗和港口供配电系统等效谐波电抗之间的关系,通过本文研究可为未来谐波控制提供有效的理论依据支撑。