并聯(lián)電容器組的串聯(lián)電抗器作用及電抗率選擇

      摘 要：本文主要探討并聯(lián)電容器組中的串聯(lián)電抗器具有限制涌流的作用，同時也有抑制諧波的功能，但并聯(lián)電容器不能隨意與電抗器串聯(lián)，只有電抗率配置合理，才能避免并聯(lián)諧振，控制系統(tǒng)諧波電流的放大。
　　
      關(guān)鍵詞：并聯(lián)電容器組；串聯(lián)電抗器作用；電抗率；諧波治理；無功補償；
　　
      一、引 言
　　目前，隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負載大量增加，由于它們多以開關(guān)方式工作，會很容易引起電網(wǎng)內(nèi)電流、電壓的波形發(fā)生畸變，從而引起電網(wǎng)諧波“污染”；另外，隨著各級各類用戶的不斷增加，為了提高電壓質(zhì)量，減少無功損耗，提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行，從而需要增加大量的無功電源來提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，因此，通過加裝并聯(lián)電容器組來進行無功補償，這是最為經(jīng)濟和有效的措施。
　　
      由于電容器組是容性負荷，其很容易與系統(tǒng)中的感性負荷形成一個振蕩回路，從而在電容器組投入時會產(chǎn)生一個高倍的合閘涌流，對電容器組造成很大的沖擊；另外，由于電容器組的容抗與頻率成反比，其諧波容抗和系統(tǒng)的諧波感抗配合，將造成并聯(lián)諧振和諧波成倍放大，從而嚴重損壞電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，破壞電網(wǎng)的正常運行。因此，在并聯(lián)電容器組的設(shè)計中應(yīng)考慮限制涌流和抑制諧波的問題，而合理地配置串聯(lián)電抗器就能較好地解決這些問題。
　　
      二、并聯(lián)電容器組的串聯(lián)電抗器作用
      1、限制涌流
　　電網(wǎng)是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，其由很多設(shè)備元件組成，但我們可以通過等效電路的方法，將其簡化為如下圖的回路。

　　                                                      圖1 并聯(lián)電容器組與串聯(lián)電抗器回路圖
　　如圖1所示，Ls可忽略不計，Ls、L分別為系統(tǒng)的感抗和串聯(lián)電抗器的電抗。
　　1.1根據(jù)國標GB/11024.1-2001“附錄D”中的規(guī)定，電容器合閘涌流的計算方法為：將電容器組中已投入運行的電容器并聯(lián)：Is=(U√Z)/( √Xc*Xl) 其中Xc=3U2(1/Q1+Q2)*10-6
　　
      按上面的計算辦法是在沒有串聯(lián)電抗器的情況下，如補償裝置的接入處短路容量很大，而電容器組的容量很小，那么電容器的合閘涌流可達幾十倍的額定電流都有可能的。
　　
      1.2限制合閘涌流電抗率的計算：
　　根據(jù)電容器裝置的設(shè)計標準要求，電容器組的合閘涌流必須限制在額定電流的20倍以內(nèi)。根據(jù)資料在工程上這樣計算的：從式中可以看出λ≤20就可滿足要求。那么電抗率K= Xl /Xc將K代入上式得：λ=1+√（Xc/Xl），設(shè)λ≤20，即得K≥0.3%，由此可見，并聯(lián)補償電容器組中串聯(lián)一定電抗值的電抗器，就可以把涌流限制在一定的倍數(shù)內(nèi)，而且只要串聯(lián)較小的電抗值的電抗器，補償支路的合閘涌流就已經(jīng)有限了。
　　
      2、抑制諧波
　　在并聯(lián)電容器組接入諧波“污染”的系統(tǒng)前，如果不采取必要的措施，并聯(lián)電容器組的容性負荷性質(zhì)，就會很容易與系統(tǒng)中的感性負荷形成振蕩回路，將電網(wǎng)的諧波放大。諧波電流疊加在電容器組的基波電流上，使電容器組的運行電流有效值增大，溫度升高，甚至引起過熱而降低電容器組的使用壽命或使電容器損壞。疊加在電容器組基波電壓上的諧波電壓，不僅使電容器組運行電壓的有效值增大，而且可能使峰值電壓增大很多，導(dǎo)致電容器組在運行中發(fā)生局部放電而不能熄滅，造成電容器組的損壞。解決這一問題的有效措施是在并聯(lián)電容器組回路中串聯(lián)電抗器。但是串聯(lián)的電抗器絕不能與電容器組隨意組合，更不能不考慮系統(tǒng)的諧波。
　　
      因此，在探討諧波與電容器的相互影響時，要認識諧波對電容器組、電抗器的影響及電容器組、電抗器承受諧波的能力；更重要的，是要認識電容器組對諧波電流的放大作用。合理地配置電容器組和電抗器，才能避免諧振，控制其諧波電流放大。圖2串聯(lián)電抗器計算電路圖，如圖2所示。In為諧波源電流，相對于n次諧波，系統(tǒng)感抗、電抗器感抗、電容器組容抗分別為nXs、nXl、Xc/n,由此可得：
　　 Isn=In(nXl-Xc/n)/(nXs+nXl-Xc/n)…………..(1)
　　 Icn=In*nXs/(nXs+nXl-Xc/n)………… (2)
　　由公式（1）、（2）可知：
　　a：當nXl-Xc/n=0時，即nXl=Xc/n，電容器組支路的阻抗為0時，電容器組支路發(fā)生串聯(lián)諧振，其支路為濾波回路。
　　b：當nXl-Xc/n＞0時，即nXl＞Xc/n，電容器組支路呈現(xiàn)感性時，不會和系統(tǒng)的感性負荷產(chǎn)生諧振而造成諧波放大。
　　c：當nXl-Xc/n<0時，即nXl　　 當電容器組電抗率a= Xl / Xc *100%, nXl-Xc/n=0時，n=√Xc/Xl=1/√a得出a=1/n2
　　
      對于電容器在支路而言，要抑制n次諧波，其支路的電抗率需滿足條件：a＞1/n2，因此，在變電站設(shè)計中，為抑制3次諧波，我們通常串聯(lián)a=12%的電抗器，為抑制5次諧波，我們通常串聯(lián)a=6%的電抗器。
　　
     2.1以下數(shù)據(jù)為某變電站35kV系統(tǒng)并聯(lián)電容器組在投運前后，對系統(tǒng)的諧波變化情況的測試，其中1號電容器組串聯(lián)a=12%的電抗器，2號電容器組串聯(lián)a=6%的電抗器。上表中的測試結(jié)果表明，當電抗率a=12%的電容器組投入運行時，系統(tǒng)的3次諧波明顯減少；當電抗率a=6%的電容器組投入運行時，系統(tǒng)的5次諧波明顯減少，但是引起了3次諧波的放大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓總畸變率變大。因此，在安裝電容器組前，應(yīng)先對系統(tǒng)諧波進行測試，然后對主要“污染”諧波有針對性地進行串聯(lián)電抗器的配置。

      在變電站進行投切并聯(lián)電容器組時，考慮抑制高次諧波原因，在允許的情況下應(yīng)優(yōu)先投入串抗電抗值大的電容器組（a=12%），退出時相反。
　　
      2.2 500kVxx變電站的35kV并聯(lián)電容器組電抗率的配置情況：
　　2.2.1 以35kV 11C電容器組為例說明其接線方式。為雙星形接線，其中每八只電容器并聯(lián)而成一個電容器單元（雙星形接線的另外一邊為每七只電容器并聯(lián)而成一個電容器單元），每相由四個這樣的電容器單元串聯(lián)而成，然后每相串聯(lián)一組電抗器（BCKSG型）。并聯(lián)電容器與串聯(lián)電抗器的接線，如圖：
　　
　　2.2.2 BCKSG型串聯(lián)電抗器作電容器組限流和濾波用,其中電抗值較小的串聯(lián)電抗器用于抑制五次諧波；電抗值較大的串聯(lián)電抗器用于抑制三次諧波。
　　
      2.2.3 35kV 11C并聯(lián)電容器組間隔設(shè)備的相關(guān)參數(shù)：串聯(lián)電抗器的型號BCKSG-2405/35-12，額定電抗值Xl=3.45歐；單臺電容型號BAM6-334-1W，單臺電容量C=30uF，經(jīng)過計算，11C電容器組單相的容抗Xc=31歐。
　　
      35kV 21C電容器組間隔設(shè)備的相關(guān)參數(shù)：串聯(lián)電抗器的型號BCKSG-1002/35-5，額定電抗值Xl=1.21歐；單臺電容器BAM5.5-334-1W，單臺電容量C=35uF，經(jīng)過計算，21C電容器組單相的容抗Xc=24.3歐。
　　
      2.2.4 根據(jù)計算公式：Xc=1/2πfc=1/314c；a=Xl/Xc*100%可得，11C電容器組間隔的電抗率a=11.13%，21C電容器組間隔的電抗率a=4.98%。經(jīng)驗算，以上結(jié)果基本滿足要求。
　　
      三、結(jié) 論
　　串聯(lián)電抗器是無功補償電容器組的重要組成部分，并聯(lián)電容器組的電抗率的選擇對并聯(lián)電容器的運行及對系統(tǒng)諧波的抑制有很大的影響。因此，在配置串聯(lián)電抗器時，必須對系統(tǒng)諧波進行測試，從而做出對并聯(lián)電容器電抗率的合理選擇。