２０１１年第６期 上海电力 并联电容器补偿与谐波抑制 邓 飞，陆慧玲 （上海市电 ｊ丁公司嘉定供电公司，上海 ２０１８００） 摘要：变电站装设并联电容器是改善电压质量和降低电能损耗的有效措施。但并联电容器会对谐波放大， 放大的谐波可能对电气设备造成损害，而并联电容器中串联电抗器是抑制谐波放大的相应措施。本文分析了 并联电容器的电抗率选择不当可能引起的后果。其主要体现在电容器可能与系统发生并联谐振（从负载侧 看）或串联谐振（从电源看），从而引起电容器的过电压和过电流。结合某一算例，在分析串联谐振和并联谐振 对谐波电流的放大后，通过调整电容器回路的参数和并联电容器的投切，达到抑制谐波的作用，从而在能不失 滤波的同时保证电容器安全运行。同时提出并联电容器设定电抗率参数时优化选择的建议。 关键词：并联电容器；电抗器；谐波抑制；谐波参数；谐波放大 中图分类号：ＴＭ５３１．４ 文献标志码：Ｂ 一０ 引言 定的谐波，此谐波电动势的频率和幅值取决于 发电机本身结构和工作情况，被看成谐波电压源。 无功补偿电容器是传统的补偿无功功率主要 变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起 手段也是抑制谐波的措施之一，当前也在广泛的 的，特别在轻载时电压升高，铁芯工作在饱和区， 应用。并联电容器简单经济、方便灵活，能有效的 谐波含量更是大大增加。电弧炉、荧光灯也会引 补偿电网所需的无功功率。而随着电力电子装置 起严重的谐波。 的应用日益广泛，整流器、变频器、电弧炉设备的 随着电力行业的发展，电力电子装置被大量 大量使用，使得电网中的谐波污染日益严重，由于 的电气设备引入，使得电力电子装置成为最大的 谐波对电网设备的危害极其严重，谐波抑制就成 谐波源。根据文献［１］，在带阻感负载的整流电路 了当今电网中必须解决的一个关键问题。由并联 所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟 电容器、电抗器和电阻器适当的组合成的滤波装 悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是 置，并联于电网上构成一相对简单的抑制谐波放 严重的谐波污染源。采用相控方式的交流电力调 大的装置。其除了抑制谐波作用外，还兼顾无功 整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入 补偿的需要。但是，当其投入电网时，若参数设定 侧产生大量的谐波电流。 不慎将会引起电网参数的变化而对谐波进行放 １．１谐波的危害 大。如何在既能让电容器补偿电网所需的无功功 谐波的存在对电网是一种污染，它使电力设 率情况下，又能合理选择电容器串联电抗以抑制 备所处环境发生变化，也对周围的通信系统和公 谐波，是问题关键所在。 用电网以外的设备带来损害，有关文献已很多，其 ｌ谐波的危害以及抑制措施 危害总的来说主要有以下几个方面 ］： １）谐波使公用电网中的元件产生了附加的 电力系统的谐波问题早在２０世纪２Ｏ、３Ｏ年 谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。 代就引起了人们的注意。当时在德国，ｄｊ于使用 ２）谐波影响各种电力设备的正常工作，比 静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。 如，谐波使电机产生附加损耗、机械振动和过电 １９４５年Ｊ．Ｃ．Ｒｅａｄ发表的有关变流器谐波的论文 压；使变压器局部过热；使电容器、电缆等设备绝 是早期有关谐波研究的经典论文ｌ＿】］。而电力系统 缘老化、寿命缩短以至损坏。 早期的谐波源是发电机和变压器。由于发电机的 ３）由于输电线中往往了为稳定电压在输电 磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，产生的感 线路上加装并联电容器以提供无功功率来维持电 应电动势不是理想的正弦波，输出电压也就含有 压，但谐波进入电容器会引起电流电压放大现象， ４７５— 上海电力 ２Ｏ１１年第６期 甚者谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串 联谐振，加重上述（１）和（２）所带来的危害。 ４）谐波会导致继电保护和自动装置的误动 作，使电气测量仪表不准确。 由于谐波的存在会对电网造成危害，因此把 谐波分量降低到容许的范围内是保证电能质量的 一项重要任务＿５ｊ。 １．２谐波的抑制手段 谐波产生的根本原因是电网存在非线性负 载。抑制谐波对电网的影响主要有两种途径：一 是靠改进用户自身设备来达到减少谐波电流的目 的；二是根据产生的谐波加装滤波装置，达到滤波 电流的目的。 前者是从谐波源方向人手，但是由于谐波产 生的设备繁多，而且谐波源就相当于了 用电户的生产生活。文献［５］给出广东南海地区 ２００５年到２００７年谐波源客户检测结果。结果显 示，２００５年参检谐波源客户总数１４０家中竟有８４ 家不合格，不合格率为６Ｏ ；到２００７年情况稍微 好点，在参检的４９６家客户中，不合格为２４０家， 不合格率却也达到４８．４ 。显然，在保障生产生 活的同时去对谐波源用户加以，两者难以取 到合理的平衡。 既然在谐波源治理的实际工作中效果并不明 显，那在电网中加装滤波装置以达到滤波电流的 目的就显得任重道远，其效果也很明显。滤波装 置主要有ＬＣ滤波器也称无源滤波器和有源电力 滤波器及混合型滤波器。有源电力滤波器（ＡＰＦ） 是一种新型的、能动态抑制谐波和补偿无功的电 力电子装置。这种滤波器能对频率和幅值都变化 的谐波进行跟踪补偿，补偿特性也不受电网阻抗 的影响，国外针对有源滤波的研究比较先进，提出 很多新思路 ］。但ＡＰＦ在容量、成本、可靠性、运 行费用等方面仍有不少困难，虽部分地区以实用 化，但是广泛应用仍须时日。相对于有源电力滤 波器，ＬＣ滤波装置针对电流中某次谐波的占谐 波最大比重而专门设定，对谐波能起到很好的抑 制效果，而且结构简单、经济成本低，在现今电网 中得到了广泛的使用。 ２ 无功补偿并联电容器和谐波的相互影响 应用并联无功电容器是补偿无功功率的传统 方法之一，它基于补偿容量跟供电电压平方成正 ４７６一 比的原理，可以向系统提供无功功率以维持电压 水平。所以长距离供电输送时，电压由于传输介 质的损耗而有所降低，在电压较低处投入并联电 容器增加无功功率，就使得电压升高，继而调整到 正常电压水平。 可见并联电容器对电力系统电压这一重要的 电能质量指标有很好的控制作用。但是，从谐波 角度而言，补偿容量与供电电压平方成正比，却恰 恰成为并联电容器的缺点之一，并联电容器与谐 波的相互影响如下¨１ ］： 谐波电流叠加在电容器的基波电流上，使得 电容器电流有效值增大，温升增高，甚至会引起过 热而降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。谐 波电压叠加在电容器基波电压上，不仅使电容器 电压有效值增大，并可能使电压峰值大大增加，使 电容器运行中发生的局部放电不能熄灭。这往往 是使电容器损坏的一个主要原因。 最重要的还在于并联电容器有对谐波放大的 作用。对于高次谐波而言，电容器的等值电容较 基波会成倍减小，系统电抗会成倍变大。这样对 于特定频率的谐波，并联电容器可能与系统发生 并联谐振，使得等效谐波阻抗达到最大值。电容 器将谐波放大，对电容器本身来说危害很大，文献 Ｅ８３给出广东一家纺织厂，电容器投入后，谐波电 流最大时放大了约５０倍，结果导致电容器在三个 月内连续损坏；而且谐波放大会危害电网中的电 气设备，破坏电网的正常运行。 所以基于谐波环境的无功补偿设备必须具备 滤波功能。为了避免上述的情况，现行的方法是 给电容器串接一定电抗器，改变并联电容器与系 统阻抗的谐振点，这就是本文要分析的并联电容 器的改进问题。 ３ 防止并联电容器对谐波放大 在电网中并联电容器起改善功率因数和调节 电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电 容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和 附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将 电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限 定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的 放大。 并联电容器装置参数的选择应遵循绝对避免 发生”次谐波谐振的原则，同时应防止谐波放大 ２０１１年第６期 上海电力 而引起某次谐波电压超过限值，满足各种负载水 平下谐波的技术要求，而且考虑母线电压调 节的要求即无功补偿容量口 ］。在设计时必须注 意对谐波抑制的要求。 ３．１ 串联电抗器的作用 安装串联电抗器的作用主要有两方面：一是 电容器的充电涌流与短路电流，二 抑制高 次谐波对电容器的影响，另外当断路器在开断过 程中发生重燃时，串联电抗器有抑制的作用。因 此在下列情况下，应装设串联电抗器： １）变（配）电站的电容器组发现有谐振现象 或因谐波引起电容器过负荷时，必须装设串联电 抗器。 ２）采用三角形接线的一次变（配）电站的电 容器组，除合闸涌流及消除谐波需要以外，如 果没有适当的短路故障的措施，也应装设串 联电抗器。 ３）变（配）电站装有２组或２组以上的电容 器并列运行，为调整电网运行电压，有分别投切电 容器组的操作时，应该装设串联电抗器。 ３．２ 串联电抗器的安装位置 如果电容器组为三角形接线，串联的电抗器 一般皆须安装在电容器组的电源侧。该接线必须 要求电抗器具有较高的机械强度，因为在母线短 路或者在电容器击穿短路时，电抗器将要承受很 大短路电流的冲击。 如果电容器组为星形接线，串联的电抗器一 般皆安装在电容器组的中性点处，那么对其机械 强度的要求可以放宽一些，因为此时在任意处发 生短路故障，都不至于危及到串联电抗器。 另一方面必须指出的是，如果变电所母线安 装有两组及以上并联电容器组，若由于某种原因 仅在一组电容器上加装了串联电抗器时，就必须 进行审慎的核算，以防止在产生并联谐振时，过大 的谐波电流使电容器及电抗器烧毁。理论和实践 充分证明，以上方法如果执行得好，对预防谐波过 电压，减少电力系统的污染，确保电容器组的安全 运行十分有利口 。 ４ 结论 在设计并联无功补偿电容器时必须进行谐波 评估，制定滤波或抑制谐波的措施。基于谐波环 境的并联电容器必须具备滤波功能，使并联电容 器和电抗器组成谐振电路，使谐波在谐振源和滤 波回路之间流动。通过调整串联电抗率将滤波器 调谐在某个特定谐波频率，利用电容和电抗在该 谐波频率发生串联谐振以吸收谐波。本文陈述并 联电容器和谐波之间的互相影响，总结并联电容 器发生并联谐振和串联谐振以及谐波放大对电容 器和系统的恶劣影响，进而分析通过在电容器上 串接电抗器来抑制谐波的措施。由于串联电抗器 电抗率的选择关系着电容器组自身和整个系统的 运行安全，电容器组串联电抗器电抗率选择不当， 使电容器组的参数与系统参数构成某次谐波下的 并联或串联谐振回路，导致谐波谐振或谐波电流 放大，所以本文论述的就是串联电抗器如何设定 参数的问题。最后引用算例来探讨具体地改进电 抗率的方法。 电力系统并联电容器的防止谐波放大，抑制 谐波可按以下原则来实施： １）在保护电容器不受损坏的前提下，并联电 容器串接电抗器的电抗率可适当选择一下下限 值，尽量避免注入系统的谐波电流过大，从而给系 统中其他设备和电网带来不利影响。 ２）根据规范，在电容器允许过电流、过电压 等范围内，允许电容器吸收一部分谐波，以减少谐 波过多进入系统造成设备损坏。 ３）对于已经投运或者有类似运行经验的变 电站，应根据实测或相关经验进行综合分析，选择 电抗器的电抗率。 ４）对于相对复杂而又难以抑制的问题，通过 测试分析，可以采取滤波、抑波相结合的方案。 参考文献： ［１］王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，１９９８，９． ［２］ＩＥＥＥ Ｔａｓｋ Ｆｏｒｃｅ ｏｎ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍｐａｃｔｓ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９３，８（２）： ６７２—６８０． ［３］张燕涛，黄伦，高红杰等．电网谐波的危害、监测和治理［Ｊ］． 技术交流与应用，２００８，３５（９）：４５—４７． Ｅ４］李亚娥．对电容器组串联电抗的剖析［Ｊ］．宁夏电力，２００７， １：２１—２４． ｒ－ｓ］ 张耀宇，黎志锋．南海电网谐波源治理措施探讨［Ｊ］．电力 电容器与无功补偿，２００８，２９（５）：３６—３８． 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缺点：抗干扰力差，接警距离受限（短）。日常 防范在护电工作中所发挥的重要作用逐渐突显 使用维护工作量大，通道较少．（报警情况受限）。 出来。 ・ 在３８０ Ｖ低压线路上安装了无线电台报警 ｌ 防盗报警系统装置概况及应用 器，设备能在断电后及时报警，但由于受发射功 率、天气、地理环境、距离远近等因素影响，实验效 防盗报警系统多运用单片机技术、无线电通 果不是很理想。适合在空旷地区区域安装。 讯技术和微机及网络技术，采用高性能集成电路、 （２）ＧＳＭ报警 ｄｅｌｂｅｒｇ，２００８，ｌ２． 新视点．２００８，２７（２）：５－９． Ｅ７］陆廷信．供电系统中的谐波分析测量与抑制［Ｍ］．北京：水 ［１２］黄跃明．电网谐波潮流计算［Ｊ］．上海电力学院学报，２０００， 利电力出版社，１９９０，８． １６（３）：１９－２４． ［８］马明军．谐波条件下的低压无功补偿技术［Ｊ］．电力电容器 ［１３］中国国家标准ＧＢ／Ｔ ｌ４５４９ １９９３：电能质量公用电网谐 与无功补偿，２００８，２９（２）：６－１０． 波Ｉｓ］．北京：中国标准出版社，１９９４． ［９］易春芳．并联电容器谐波放大分析与电容参数选择建议 收稿日期：２０１１ １０—２５ ［Ｊ］．广西电力，２００８，１：４３ ４６． 作者简介：邓 飞（１９８７一），男，本科，助理工程师，从事 ［１ｏ］王军．高压并联电容器装置中串联电抗器的选用［Ｊ］．电工 继电保护工作。 技术，２００８，８：８３—８４． （编辑：吕 斌） ［１１］王星华，余欣梅．谐波潮流建模及求解算法研究综述［Ｊ］． ４７８一
