【電抗器原理】串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的選型分析

      20世紀80年代初，為了促進提高國產電容器產品的質量和生產技術的發(fā)展與進步，國家采用了重大舉措，其中包括由原水利電力部統(tǒng)一從西歐、日本進口一批電容器，分配給東北、華北和華東電網集中裝設在110kV及以上變電所，并效法日本的做法規(guī)定要求一律用6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)，一時全國各地（除浙江省等個別省區(qū)外）形成幾乎以此為“主導”的設計模式�！　� 
 
      隨著各地大容量電容裝置的相繼投運，通過現(xiàn)場諧波實測，人們逐步發(fā)現(xiàn)和認識到事實不象教科書所說的那樣，3次諧波只有零序分量可被變壓器Δ接法的線圈所環(huán)路，而是到處流通。除了電氣化鐵道，電弧爐負荷是3次諧波源以外，根據(jù)大量測試分析結果證明，變壓器也是電力諧波的一個重要發(fā)生源，其主要成分是3次諧波。由于變壓器的激磁電流加上鐵芯的磁飽和，以及電力系統(tǒng)中普遍存在的3相電路與磁路的不對稱，三相電源電壓不僅在幅值上有差別，而且在相位上不是各差120°，故即使在變壓器三角繞組側的線電壓，線電流中也仍然存在3次諧波分量，它們是正序和負序分量。因此，3次諧波遍及電網，尤其是在負荷低谷時，隨著電網運行電壓的升高，變壓器鐵芯飽和程度的加深，其產生的3次諧波含量也隨之增大。根據(jù)浙江電網近年來對10～500kV各級網絡165個測點的諧波普測結果，以3次為主導諧波和3、5次諧波為主導諧波合計占總測點數(shù)的92％；

      據(jù)紹興地區(qū)電網監(jiān)測結果以3次諧波為主占總測點數(shù)的79％，以3次和3、5次為主合計占94％，這樣的背景諧波情況在全國電網是具有普遍性的，事實證明，我國國情與日本國不同，后者電網不存在3次諧波，電容器組串接5％～6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)以抑制電網5次及以上諧波是正確的，而我們效法后者，就把串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)選用引入“誤區(qū)”。電網普遍存在3次諧波的狀況，以及曾有過的“誤導”，給電容器裝置及其相連電網的運行所帶來的影響是不容低估的。　　
 
      電容器裝置盲目采用串接5％～6％的串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)投入電網后，引起3次諧波的放大甚至發(fā)生諧振已成為不爭的事實。眾多的文獻陳述了220kV及以上樞紐變電所中的河南湯陰變、湖南曲河變、湖南寶慶變、廣西玉林變、張家口宣化變的電容裝置投運后，曾先后發(fā)生由于3次諧波諧振引發(fā)的部分電容器和配套器件損毀，甚至全部電容器燒毀的事故；北京地區(qū)聶各莊變、呂村變、南苑變、王四營變、浙江紹興的渡東變等等，均發(fā)生3次諧波諧振而被迫停運采取改造措施。至于110kV及以下變電所電容器裝置投運后，通常發(fā)生電網諧波放大超標，引起電容器，電抗器振動、發(fā)熱、保護誤動，甚至設備損壞�！　�
 
      根據(jù)大量電容器裝置工程實例的計算分析與現(xiàn)場測試驗證，結果證明可以采用簡化的電路模型（如圖1，2所示），來分析估算電容器裝置的接入對電網3次諧波的影響，以及諧振容量的估算。按電容器裝置投入點的情況不同分為兩種類型：　　
      1）當電容裝置側有諧波源時，其分析電路模型如圖1所示。圖中，In為諧波源的第n次諧波電流；XS為系統(tǒng)等值工頻短路電抗；XC為電容器組工頻容抗；XL為串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)工頻電抗（XL＝AXC，A為電抗率）；n為諧波次數(shù)，為了分析電容裝置接入電網后以對某次諧波變化的影響，特定義電容器組投入后與投入前系統(tǒng)諧波電壓之比為某次諧波電壓放大率（FVn），經推導可得：

      式中，S＝XS／XC＝QCN／SD其中，SD為電容裝置接入處母線短路容量，QCN為電容裝置容量。當（1）式分母的數(shù)值等于零時，表示電容裝置與電網在第n次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并據(jù)此推導出估算電容裝置諧振容量（QCX）的算式：

      從物理意義上解釋：當電容裝置側存在3次諧波電流源時，串接6％及以下串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的電容器組在3次諧波下的阻抗呈容性，而系統(tǒng)阻抗為感性，兩者并聯(lián)阻抗增大（比起電容裝置接入前單一的系統(tǒng)阻抗3XS而言），故電容裝置接入后比接入前，其裝置側網絡3次諧波電壓增大（即3次諧波電壓放大），一旦電容器支路與系統(tǒng)等值回路的3次諧波阻抗值相等或接近相等（符號相反），兩者并聯(lián)阻抗為無窮大即進入并聯(lián)諧振，引起電容裝置嚴重過電壓過電流而損毀，同時危及系統(tǒng)安全�！　�
 
      從（2）式可得，當電容裝置選用5％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)且容量達到或接近系統(tǒng)短路容量的6％時，或者選用6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)且其容量達到或接近系統(tǒng)短路容量5％時，就會發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振。上述220kV及以上變電所的電容裝置工程實例證實了從（2）式得出的結果。110kV及以下變電所的電容裝置容量相對較小，（通常S＞5％），但會引起3次諧波放大，甚至嚴重放大。從（1）式可以揭示，在同一裝置場所，在選用串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的電抗率（A）為0．1％～6％范圍內，隨著A的增大，或者隨著S的增大（即電容裝置投入容量的增大），3次諧波電壓放大程度（FV3）也隨著增大。

　　2）當電容裝置本側無諧波源時，其分析電路模型如圖2所示。在220kV及以上樞紐變電站，為了調相調壓的需要，在主變的低壓側裝設了大容量的分組投切電容器組，裝置側無負荷，諧波來自主變高壓側。按圖示定義裝置側母線諧波電壓UBn與高壓側母線諧波電壓UAn之比為諧波電壓滲透率SVn，如忽略變壓器第n次諧波電阻，SVn可由（3）式估算：

      式中，ST＝XT／XC；XT為變壓器工頻短路電抗。當（3）式分母的數(shù)值等于零時，表示電容裝置在第n次諧波處發(fā)生串聯(lián)諧振，并據(jù)此推導出估算串聯(lián)諧振容量QCX的算式：

       式中Se為變壓器額定容量；UK％為變壓器短路電壓百分值，其他符號意義同上文。當Se和UK％參數(shù)已知時，用（4）式估算不同的電抗率A所對應的電容裝置發(fā)生3次諧波串聯(lián)諧振容量。從理論計算與實際工程驗證，一旦電容裝置容量達到變壓器容量的15％及以上，如選用5％～6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)就會發(fā)生3次諧波嚴重放大，甚至出現(xiàn)串聯(lián)諧振�！　� 

      綜上所述，對于樞紐變電所裝設的大容量電容裝置要避免進入串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)選用的誤區(qū)，慎防對電網3次諧波的嚴重放大或諧振；對于110kV及以下變電所，如電容裝置處背景諧波中有較大3次諧波含量的，忌用5％～6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)。