串聯電抗器電抗率如何選擇

0 引言

并聯電容器進行無功補償是電力系統改善功率因素和跳崖的有效措施。然而電力系統中大量非線性負載的投運，特別是以晶閘管作為換流元件的電力半導體器件，由于它以開關方式工作，將會引起電網電流、電壓波形的畸變，產生大量高次諧波。而電容器對高次諧波反應比較敏感，會對諧波電劉起到放大作用，嚴重時還會產生諧振，造成電容器自身的損壞或無法工作，還危及附近其他電器設備的安全。

在具有高次諧波背景中裝設補償電容器，一般采用在電容器回路中串聯電抗器的措施，這既不影響電容器的無功補償作用，又能抑制高次諧波。但串聯電抗器必須考慮電容器接入處電網的諧波背景，絕不可任意組合。只有合理選擇串聯電抗器的電抗率，使之與電容器進行合理匹配，才能有效地起到抑制諧波的作用，并有限制合閘涌流的效果。

1 抑制高次諧波

當無功補償電容器接入電網存在有高次諧波時，電容器對n次諧波的容抗降為xc/n，系統電感對n次諧波的感抗升高為nxL。在電網存在有n次諧波電流時，如果符合nxL=xc/n的條件，則將產生n次諧波的諧振現象。其n次諧波電流與基波電流迭加后，使流過電容器的電流驟增，此時產生的過電流必將危及電容器自身安全或無法工作。同時諧波電流在系統阻抗上產生的諧波電壓與源電壓迭加后產生過電壓，此過電壓也會威脅到電容器的安全運行。

采用并聯電容器進行無功補償而構成的電路中，若電容器支路與系統發生并聯諧振，此時諧振點的諧振次數為：

n0=√xc/（xL+xs）

式中 xs———系統等值基波短路電抗；      xL———電抗器基波電抗；

xc———電容器基波電抗；          （xL=Axc，A為電抗率）

從上式看出，串入電抗器電感量越大，則諧波次數n0越低，因而可通過串入電抗器電感量的大小來控制并聯諧振點，從而達到避開諧波源中的各次諧波。由此可見，在補償電容器回路中串聯一定電抗率的電抗器，即能有效地避開諧振點。

在電容器接入處電網存在高次諧波時，當諧波次數大于諧振點的諧波次數時，電容器回路阻抗呈感抗，此時諧波電流全部流入電容器回路中，故而電容器對諧波電流不起放大作用。但在諧波次數小于諧振點的諧波次數時，電容器回路阻抗特性呈容性，此時串聯的電抗器不會起到抑制諧波作用，反而對諧波電流起到放大作用。為此，在電容器回路串聯的電抗器絕不能任意組合，一定要考慮接入處電網的諧波背景，只有根據諧波背景選擇合適的電抗率的電抗器，才能起到抑制高次諧波的作用。

2 限制合閘涌流

無功補償電容器在投運合閘瞬間，往往會產生沖擊性合閘涌流，這是因為合閘的電容器處于未充電狀態，流入電容器的電流僅受回路阻抗的限制，因該回路處于接近短路狀態，回路阻抗很小，故而在合閘瞬間往往會產生很大的沖擊涌流。

GB50227-95《并聯電容器裝置設計規范》中給出合閘涌流的計算式為：

Is=√2 Ie(a+√xc/xs)

            =√2 Ie(a+√sd/QC)

式中：Ie———電容器組的額定電流；      xc———電容器組一相容抗值；

xs———電容器組與電網間電抗值；  sd———合閘點系統的短路容量；

Qc———電容器組容量。

合閘涌流倍數K=1+√sd/QC，K值是隨合閘點短路容量的增大及電容器組容量的減小而增大，一般為3~10倍。

電容器組回路加裝串聯電抗器后的合閘涌流倍數為：

K=1+√xc/（xL+xc），K值是隨母線短路容量的增大，或電抗器占電容器容抗的百分數的增大而大幅度減小。故而在電容回路串聯合適電抗率的電抗器后，將起到限制合閘涌流的效果。

3 電抗器電抗率的選擇

電抗率是電抗器的重要參數，而電抗率的大小將直接影響它的作用與系統的安全。為能合適的選用電抗率，必須了解電容器接入處電網存在諧波的背景。只有通過實測各次諧波后，才能使用電容器與之串聯的電抗器相匹配。

補償電容器接入處的背景諧波為三次，而且含量已超過或接近標準時，宜選用12%的串聯電抗器。

補償電容器接入處的背景諧波為3次和5次為主，而且兩者含量均較大，宜選用12%與4.5%~6%兩種電抗率混裝方式的串聯電抗器，以保證抑制3次諧波放大為前提。該方案優點比全部采用串聯12%方案可降低無功損耗。

當補償電容器接入處的背景諧波為3次為主，并含有5次以上諧波，但含量較少，可選用0.1%~1%的電抗器。

當補償電容器接入處的背景諧波以3次和5次為主，但3次諧波含量較少，而5次諧波含量已超過或接近標準值，應選用5%~6%的電抗器。

當補償電容器接入處的背景諧波為5次及以上時，而且5次諧波含量較大，應選用6%的串聯電抗器。

當補償電容器接入處電網含有多種諧波成分，并且含量都較大時，串聯單抗器電抗率可按下式確定。此時該電容支路對于較大含量的各次諧波均不會產生放大作用。

xL=αxc/n2

式中：α———可靠系數（一般取α=1.2~1.5）；

  xc———電容器組基波電抗；

  n———具有較大含量的低諧波次數。

新建變電所無法得知電網的背景諧波，補償電容器裝置可選用阻尼式限流器，限流器中串聯電抗器的額定電流，可按電容器組的終容量考慮選取。