無功補償電抗率選7%還是14%，電抗率是越高越好么？

1.背景

并聯電容補償裝置由于容量組合靈活、安裝維護簡便、投資省等原因而廣泛應用于電力系統。作為無功電力的主要電源，對于電力系統調相調壓、穩定運行、改善電能質量和降損節能具有重要作用。隨著電力事業的迅速發展，電容裝置安裝投運容量亦迅速增長。同時隨著電力電子技術的廣泛應用，帶整流器的設備如變頻調速裝置、UPS電源裝置，以及軟起動器、新型節能電光源等產生高次諧波電流的電氣設備應用越來越多，給電網帶來了嚴重的諧波污染，導致一系列的設備問題。如電動機振動、發熱，變壓器產生附加損耗，使容性回路過電流，干擾通訊，電子設備誤觸發等等。因此，對諧波的污染須予以重視。抑制諧波的措施很多，常見技術措施如改變變壓器的接線方式；加裝濾波裝置；加裝靜態(動態)無功補償裝置；在電容回路加裝串聯電抗器等等。

2.諧波對補償系統的影響

在無功補償系統中，電網以感抗為主，電容器回路以容抗為主。在工頻條件下，并聯電容器的容抗比系統的感抗大很多，補償電容器對電網發出無功功率，對電網進行無功補償，提高了系統的功率因數。在有背景諧波的系統中。非線性負荷會產生大量的諧波電流注入電網，引起電壓及電流波形畸變。影響電力電容器的正常運行。

2.1造成電容器過電流諧波分流原理圖如圖1所示：

圖1諧波分流示意圖

n次諧波下變壓器阻抗：XS(n)=2πf(n)L(1)n次諧波下電容器阻抗：XC(n)=1／2πf(n)L(2)

存在高次諧波時，由于f(n)的增大，從而導致XS(n)增大及XC(n)減少，從而導致諧波電流大量涌入電容器。假設電容器工作運行在滿載電流，若加上諧波電流后，電容器運行電流大于1.3倍的額定電流，電容器將出現故障。

2.2與系統產生并聯諧振當大量的非線性負荷掛網運行時，將在電網產生嚴重的電壓畸變和電流畸變。此時的諧波源相當于一個很大的電流源，其產生的諧波電流加在系統感抗和電容器的容抗之間，形成并聯回路如圖2所示。

圖2并聯諧振原理圖

從圖中可以看出諧波電流一部分流經XS(n)，一部分流經XC(n)，回路阻抗為:

當n為某次諧波時，電網感抗等于電容器容抗XC(n)時，形成并聯諧振，此時并聯回路總阻抗等于無窮大。諧波電流流經阻抗無限大的回路時。將產生無限大的諧波電壓，無限大的諧波電壓將在電網和電容器間產生大電流，造成電容器故障。

3.串聯電抗器對諧波的抑制

電氣設計中多采用在無功補償電容器回路串聯電抗器來抑制諧波。諧波源從電力系統中吸收的畸變電流可分解為基波分量和諧波分量，其諧波分量與基波分量和供電網的阻抗無關，所以可以將諧波看作恒流源。電力系統的簡化電路和諧波等效電路如圖3、4所示：

圖中In為諧波用電設備，XS為系統基波阻抗，XL為串聯電抗器基波阻抗，XC為電容器基波阻抗，在n次諧波條件下諧波阻抗分別為：XS(n)=nXs；XL(n)=nXL；XC(n)=XC/n。

從等效電路阻抗圖4可得，流入供電系統的諧波電流I為：

流入并補裝置的諧波電流ICn為：

nXS為系統諧波阻抗與系統大、小運行方式的短路容量有關。根據式(4)、(5)可以看出關鍵在于XL與XC的取值，現就典型情況討論如下(見表1)。

由表1可知。無功補償回路串聯電抗器要實現對諧波電流的抑制，須使回路電抗對諧波源產生的低次諧波電呈電感性，即滿足:

n為主要諧波的低次數，從上述討論可知，對同一系統，由于K值不同，其運行狀況截然不同，因此正確選擇電抗器電抗率K值是十分重要的。

4.電抗率的選擇

在《并聯電容器裝置設計規范》GB50227-2017中指出了串聯電抗器電抗率的配置標準：“用于抑制諧波時，電抗率應根據并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波含量的測量值選擇。當諧波為5次及以上時，電抗率宜取5.0％；當諧波為3次及以上時，電抗率宜取12.0％，亦可采用5.0％與12.0％兩種電抗率混裝方式。”

因此在選擇并補裝置串聯電抗器電抗值參數時，一定首先研究一下，供電系統中具有什么樣的主要諧波次數范圍，然后確定其電抗值的百分比，要避開可能出現的諧波放大區域。

由式(6)可得：

式中ω為基波角速度,ω=2πf=100π

此時。實際調諧頻率為：

由式(7)可知，如系統背景諧波以5次諧波為主，應串5％或6％電抗器，諧振點為224Hz或204Hz(可避免產生大于5次諧波250Hz的諧振)；如背景諧波以4次諧波為主，應串7％或8％的電抗器．諧振點為189Hz或177Hz(可避免產生大于4次諧波200Hz的諧振)；如系統背景諧波以3次諧波為主，應串12％或13％電抗器。諧振點為144Hz或139Hz(可避免產生大于3次諧波150Hz的諧振)。

5.串聯電抗器后需注意的問題

串聯電抗器后會帶來些新的問題，如果不注意，同樣會對電容器的使用造成危害。

5.1電容器額定電壓選擇

在選擇電容器額定電壓時要考慮電容器組投入運行后的預期母線運行電壓。為了使電容器的額定電壓選擇合理，達到經濟和安全運行的目的，在分析電容器預期的運行電壓時，應考慮下面幾種情況： （1）并聯電容器裝置接入電網后引起的電網電壓升高； （2）諧波引起的電網電壓升高； （3）裝設電抗器引起的電容器端子電壓升高； （4）相間和串聯段間存在的容差，將形成電壓分配不均，使部分電容器承受的電壓升高；   （5） 輕負荷引起的電網電壓升高。

故綜合考慮后電容器額定電壓的選取按下式確定：

其中，UCN為單臺電容器額定電壓，USN為接入點系統電壓，S為電容器組每相的串聯段數，K為電抗率。以低壓400V系統，串聯6％電抗率的電抗器為例，計算電容器額定電壓Uc=446.8V，即電容器的額定電壓應考慮按450V以上才是可靠的。

5.2電容器補償容量選擇

串聯相應電抗器以及確定補償電容器額定電壓后，安裝容量與實際輸出容量是不同的，兩者關系可按下式計算：

式中Q1為電容器輸出容量，Q2為電容器安裝容量，U2為電容器運行電壓，U1為電容器額定電壓，K為電抗率。可見，若單純提高電容器額定電壓。實際運行時，低于額定電壓，會出現無功容量虧損，造成無功補償的不足。所以在選擇補償電容容量時，應考慮串聯電抗器造成的電容器輸出容量的變化．并應留有部分裕量。

5.3諧波放大現象

由式(6)可得，如串聯電抗器電抗率為6％，則并補回路的抑制諧波的低次數為：

即6％串聯電抗器抑制5次及以上次數的諧波。而對3次及以上次數的諧波電流的放大程度非常嚴重，從而導致電容器組損壞。因此經過大量運行及經驗數據，國家規定。需抑制5次及以上次數的諧波，同時避免對3次以上諧波的放大，電抗率可選為4.5％。另外，為了解決3次諧波放大問題，有的變電站的電容器組并非每組都串聯6％電抗器，而是有幾組串6％電抗器，另外幾組串12％或13％電抗器。針對某種背景諧波，選擇串聯電抗率時，首先要研究一下，供電系統中具有什么樣的主要諧波次數范圍，然后確定其電抗值的百分比，避免發生并聯、串聯諧振，以及諧波放大現象。 

6.結束語

電容無功補償是提高系統功率因數、降低電網無功損耗的重要手段，由于電網都存在不同程度的諧波，因此無論何時進行無功補償，均不能拋開諧波問題，否則不僅危及電容器的使用安全，更危及電網系統的使用安全。串聯電抗器是無功補償電容器組的重要組成部分。電抗率的選擇對并聯電容器的運行及對系統諧波的抑制有很大的影響。因此在串聯電抗器時，須對系統諧波進行測試，選擇正確的電抗率，同時電容器的額定電壓和安裝容量要作相應的提高。