低压配电并联电容器补偿回路所串电抗器的合理选择

一、 前言 在笔者所接触的低压配电施工图中，发现施工图中有一个共性，那就是配电变压器低压侧母线上均接入无功补偿电容器柜。但令人费解的是，所串电抗器无任何规格要求，无技术参数的注明，只是在图中画了一个电抗器的符号而已。而所标电容器的容量，也只是电容器铭牌容量而已，实际运行时，最大能补偿多少无功功率，也不得而知。 应引起注意的是，电抗器与电容器不能随意组合，它要根据所处低压电网负荷情况，变压器容量，用电设备的性质，所产生谐波的种类及各次谐波含量，应要进行谐波测量后，才能对症下药，决定电抗器如何选择。但往往是低压配电与电容补偿同期进行，根本无法先进行谐波测量，然后进行电抗器的选择。退一步说，即使电网投入运行，进行谐波测量，但用电设备是变动的，电网结构也是变化的，造成谐波的次数及大小有其随意性，复杂性。因此正确选用电容器所用的串联电抗器也成为疑难问题，这无疑是一个比较复杂的系统工程，不是随便一个电抗器的符号或口头说明要加电抗器那么简单了。不得随意配合，否则适得其反，造成谐波放大，严重时会引发谐振，危及电容器及系统安全，而且浪费了投资。有鉴于此，笔者对如何正确选用电容器串联电抗器的问题，将本人研究的一点心得，撰写成文，以候教于高明。 二、 电力系统谐波分析及谐波危害 电力系统产生谐波的原因主要是用电设备的非线性特点。所谓非线性，即所施电压与其通过的电流非线性关系。例如变压器的励磁回路，当变压器的铁芯过饱和时，励磁曲线是非正弦的。当电压为正弦波时，励磁电流为非正弦波，即尖顶波，它含有各次谐波。非线性负载的还有各种整流装置，电力机车的整流设备，电弧炼钢炉，EPS，UPS及各种逆变器等。目前办公室里电子设备很多，这里存在开关电源及整流装置，其电流成分也包含有各次谐波，另外办公场所日光灯及车间内各种照明用的气体放电灯，它们也是谐波电流的制造者。日光灯铁芯镇流器及过电压运行的电机也是谐波制造者。 目前所用的配电变压器高压侧多接成“Δ”型，这样三次谐波因相序相同，即零序的感应的三次谐波电流在三角形绕组内环流，不易窜入电网。磁路过饱和而产生的谐波类似六脉动整流回路，主要产生6K±1次谐波，多为5次，7次，11次等。据有关人员实测表明，电力机车及电弧炉供电系统3次谐波较多，而办公楼及普通工厂车间5次与7次谐波为主。由于低压配电不涉及电弧炉及电力机车，这样矛盾的焦点集中于5次谐波治理抑制上了。 谐波造成的设备过载及线路损耗增加，降低了输电能力，高次谐波电流又引起系统电压畸变，从而影响其它设备的正常工作。 对于低压电网的补偿用电力电容器，危害更为严重。深圳某电子厂，由于低压电网谐波，接入的并联补偿电容器，运行不到一周，皆鼓肚损害，其接头及投切用接触器接线端子烧蚀熔化冒火，电气值班人员只得采用电气用手提灭火设备进行灭火，然后退出运行。电容器生产厂家亲赴现场用谐波测试仪实测，结果证实是谐波严重造成，而非电容器质量所致。 三、 串联电抗器的作用 低压电网并联电容器补偿回路串联电抗器的作用 电抗器作用为： 1) 限制电容器投入时合闸涌流 当电容器投入的瞬间，由于电容器无充电，无反向电势，合闸瞬间，如同短路，只有线路的阻抗起限制电流作用，因此瞬时电流可达额定电流的百倍以上，不过时间短促，仅持续毫秒或微秒级。由于接入电网的电容器为多组组合，当投入或切除任一组电容器时，其它运行的电容器会向投切电容器进行充放电，这也是俗称的电容器组背对背效应，增加了电容器的投切困难。尽管目前采用电容器投切专用接触器，此接触器带有操作时接入的过渡电阻进行限流，但还是经常损坏接触器，电容器柜内投切用接触器可谓十足的易损元件了。 2) 防止电网谐波放大及谐振的发生 3) 限制操作过电压 4) 限制短路电流 当电容器发生短路故障时，能限制系统向电容器短路点注入短路电流。当系统其它地方发生短路或电抗器电源侧发生短路时，能限制电容器向系统的反馈电流。 5) 抑制流向电容器的高次谐波，使之不使电容器过电流损坏。 众所周知，谐波次数越高，电容器呈现的阻抗越低，这样造成大量谐波电流涌入。若不采取措施，如对电网采取谐波控制或串联电抗器，电容器很难胜无功补偿作用，很快由于涌波涌入造成过流而损坏。 6) 对某次谐波来说，串联电抗器与电容器的组合，只要合理搭配，可起到滤除部分某次谐波的作用。 需要指出的，滤除某次部分谐波，只是补偿回路的一点附加作用，绝不能作为滤波器使用，否则，则影响了无功补偿的初衷。 有人会疑问，不是防止电容器过流，要限制电容器谐波涌入吗，怎么又允许某次谐波容易涌入呢？问题很容易解答，电容器允许使用在电流达1.35倍额定电流下长期工作，可充分挖掘这部分潜力，让它兼有一点滤波的作用。另外，电抗器与电容器要合理搭配，不得使电抗器与电容器发生串联谐波，使之回路电流达到短路电流水平而损坏元件的设备，也不能使电抗器与电容器串联回路呈容性，以便防止回路与系统感抗发生并联谐振而使谐波被放大污染系统。 四、 串联电抗器的正确选择 要正确选用电抗器，首先要了解所在电网谐波情况，或经测量（这对新建单位是不现实的）或根据电网结构，用电设备情况，预测电网谐波情况，然后再决定电抗器的参数。电抗器选择原则是，若想兼有滤除某次谐波作用，应使电抗与电容接近串联谐振，而达到谐振的条件是电抗与容抗相等，即nXL=Xc/n ,XL=Xc/n2 式中，n为谐波次数，XL·Xc为电抗器与电容器工频电抗。 1. 如果电网清洁，各高次谐波含量很少，可选择电抗率K为0.1%-1%。这样，电抗体积小，成本低，但能限制合闸涌流为额定电流的10倍以内。 2. 如果电网3次谐波突出，除限制涌流外，尚能滤除部分3次谐波，以便清洁电网。选择的原则是，即使电容电抗接近谐振，但不能达到谐振。 如果达到谐振，对3次谐波而言， 3XL=Xc/3, XL=Xc/9=0.111Xc 对于5次谐波XL=Xc/25=0.04Xc 对于7次谐波XL=Xc/49=0.0204Xc 对于9次谐波XL=Xc/81=0.012Xc 对于11次谐波XL=Xc/121=0.0083Xc 上述各式中，XL及Xc为基波（工频）情况下，电抗器及电容器的阻抗。满足上述条件是电抗与电容发生谐振的条件，选用时以不得发生谐振为前提，但不使谐波被放大，应使回路呈感性。 现引入一个参数，即电抗率K，它是串联回路的电抗器的电抗与电容器的容抗之比的百分数，即K=XL/XC% 由此可见，发生串联谐振时，分别对3次，5次，7次，9次及11次谐波，电抗率分别为11.1%，4%，2.04%，1.2%及0.83%。 但选择电抗器电抗率时，不但要接近谐振频率，还要使回路呈感性。这样一来，若电网3次谐波突出，选电抗率K为12%-13%。若5次谐波突出，选K为4.5%-7%。若5次与3次均突出，选取电容器组分别串电抗率K为4.5%-7%及12%-13%的电抗器。 至于电抗器的容量，它等于所串电容器容量乘以电抗率，即QL=KQC。一般说来，只要给出所接电容器容量及额定电压，及要求的电抗器电抗率。至于电抗器额定绝缘电压、容量及额定电流等参数，由电抗器制造厂自行合理地解决了，不必要求用户提供其它要求参数。 五、 串入电抗器后，电容器端电压及补偿容量的变化 由于系统电压不变，而电抗器压降又与电容器上压降刚好相位相反，这样必然造成电容器端电压升高。由于电抗率是电抗器电抗值与电容器容抗值之比的百分数，电抗器上的压降必然为电容器上的压降乘以电抗率了。 即Uc-UL=UN (Uc,UL,UN分别为电容器，电抗器及系统电压) Uc-kUc=UN Uc(1-k)=UN Uc=UN/(1-k) 由此可见，串电抗后，电容器电压升高非1+k倍，而是1/（1-k），这样，串入电抗后，电容器端电压升高，其升高倍数如表所示。 电抗率K 0.1% 1% 4.5% 5% 6% 7% 12% 13% 电容器电压升高倍数 1.001 1.01 1.047 1.0526 1.0638 1.075 1.136 1.149                   由于电抗器吸收电容器所产生的无功补偿功率，造成电容器向电网无功补偿能力减弱。由于串电抗造成电容器端电压升高，必须采用适合此电压的电容器，即选用较高电压等级的电容器。这样组合下来，实际电压又不一定正巧与所选电容器额定电压一级，一般都小于电容器额定电压。由于电容器在小于额定电压下运行，实际补偿容量又低于电容器铭牌所标容量，真是一环扣一环，是一个比较复杂的系统工程了。为说明上述问题，现举例如下： 某项目，系统电压UN=400v.每回路补偿电容器为30Kvar，串入电抗率K=7%，求：电容器运行时实际电压，如何选择电容器额定电压及实际补偿容量。计算步骤为： 1) 电容器实际承受电压Uc=UN/(1-k)=400/(1-7%)=430v 选择电容器额定电压为480v（选440v，450v的也能满足要求），电抗器实际压降为UL=430v-400v=30v，或UL=kUc=7%*430=30v。 2) 额定电压480v电容器，实际承受电压为430v，实际生产的无功功率为额定无功的（430/480）2=0.8025倍。自身发出的无功Q=30*0.8025=24.075（Kvar） 3) 电抗器吸收电容器发出的无功功率的7% 4) 电容器实际向电网发出额定功率的0.8025*（1-7%）=0.7463倍，即30*0.7463=22.39（Kvar） 5) 电容器串入电抗器后实际电流 如上述的例子，30Kvar电容器，额定电压480v，额定电流为IN=30/(*0.48)=36.1A.实际运行时，承受电压为430v。 实际电流为I=IN*(430/480)=36.1*(430/480)=32.3A 或者I=Q/(*0.43)=24.075/(*0.43)=32.3A 这样，选择回路导体及投切元件只能按32.3A选择，不能按系统电压400V，电容器30Kvar求得。对于额定电压400V，容量30Kvar的电容器，其电流都为I=30/(*0.4)=43.3A. 通过上述事例，可以看出串电抗器并联补偿电容器回路，各参数要通过计算求得。到底补偿多少，有没有达到 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 要求，要有明确的交代。目前设计单位只要求电抗器，其它不再过问，即电气成套厂更加随意，为节约投资，电抗率选用电抗率宁低勿高，宁选铁芯电抗器而不选空芯电抗器。电容器柜铭牌上的补偿容量按各电容器铭牌容量之和，这样一样来和实际情况差别太远了。 六、 严防补偿电容器对谐波放大 接入母线的无功补偿用电容器，电容电抗系统能与电力系统组成并联谐振回路。如果某次谐波电流频率，电容电抗会流过很大的谐振电流，可达原有电网谐波电流数十倍，电容器端电压也产生很高过电压，此种情况称为谐波放大。