低压电网无功补偿装置的选择

1.低压电网谐波污染的严重性

近三十年来，在被日益广泛应用的各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，逆变器、直流斩波器等所需的直流电源主要来自整流电路，常用的晶闸管相控整流电路或二极管整流电路都是严重的谐波源。计算机、彩色电视、各种办公设备和其他家用电器的普及也会造成谐波污染。上述电气设备的单台容量虽然很小，但数量却极为庞大，其内部大都含有开关电源，各类开关电源、变频器的用量越来越多，加上荧光灯产生的谐波，使电源的谐波污染日益突出，谐波电压和谐波电流引起电源波形的严重畸变，影响到对电力用户的供电质量。在低压电容器无功补偿装置上还可能由于谐波的放大，产生并联电容器的损坏或谐振事故，因此对低压电网的谐波治理和无功补偿装置的改进是当前电力系统中亟待解决的重要课题。

实际上，不同的理解和采用不同的技术，对状态检修的概念叙述是不同的。普遍的设备状态检修的定义为：依据设备的实际状况，通过科学合理地安排检修工作，以最少的资源消耗保持机组（设备）的安全、经济、可靠的运行能力。由此可见，状态检修实际上是电厂实现设备维修管理现代化所追求的一个长远目标，其实施计划是一个长期解决方案。

状态检修并不是要减少检修，也不是要取消计划，其关键是如何科学合理地安排检修工作。国内电厂以往的维修方式主要采取计划维修的模式，这种模式在相当长一段时间内仍将是我们的主要维修管理模式。状态检修与计划检修的根本差别是：维修工作的科学性和合理性，而不是计划性。传统的计划检修主要是依据规程和以往经验来安排维修计划，大多数是日历式的。而状态检修则主要是根据各自真实的设备状况监测结果和科学的设备评估方法来安排计划，力图改变过去依据规程和以往经验来安排计划带来的设备“过修”和设备“欠修”的弊端。因此状态检修的准确含义应当是“维修优化”，即使维修活动进一步科学化、合理化。如上所述，国外开展状态检修的模式有很多，其中主要有3种方式，即以

设备可靠性分析为中心的维修（RCM）、以设备状态监测为基础的预知性维修（PDM）、以高温关键设备状态和寿命评估为基础的设备寿命管理（LM）等技术。这些模式的理论基础不同，使用范围和特点也不同。电厂采用时一般要根据自己的机组特点和设备维修重点，选择一种模式或将不同模式组合，产生出适合电厂自身的状态检修模式。

2.低压电网中谐波分量的限值

为了谐波源注入电网后产生不良影响，必须把电压和电流的谐波分量控制在允许的范围内，使连接在电网中的电气设备免受谐波的干扰。GB／T14549—1993《电能质量公用电网谐波》对注入低压电网中谐波电流允许值和谐波电压限值的规定分别见表1和表2。

表1低压电网谐波电流允许值（均方根值） （基准短路容量10MVA）

谐波次数/次 谐波电流允许值/A 谐波次数/次 谐波电流允许值/A 谐波次数.次 谐波电流允许值.A 2 3 4 5 6 7 8 9 78 62 39 62 26 44 19 21 10 11 12 13 14 15 16 17 16 28 13 24 11 12 9.7 18 18 19 20 21 22 23 24 25 8.6 16 7.8 8.9 7.1 14 6.5 12 表2低压公用电网的谐波电压（相电压）限值 标称电压.kV 0.38 总谐波畸变率.% 奇 次 5.0 4.0 偶 次 2.0 各次谐波含有率.% 对公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量10MVA时，可按公式（1）修正表1中的数值。

IN＝IKPSK1／SK2（1）

式中，SK1为公共连接点处的最小短路容量，MVA；SK2为基准短路容量，MVA；IKP为表1中第N次谐波电流允许值，A；IN为短路容量为SK1时的第N次谐波允许值，A。

应该指出：对于不同电压等级电网的电压总谐波畸变率的限值不同，电压等级越高，谐波越严。例如6～10KV、35～66KV及110KV电网，其电压总谐波畸变率分别规定为4.0、3.0和2.0；另外对偶次谐波的也要严于对奇次谐波的。

3.电容回路的谐波放大和谐振

无功补偿装置和滤波装置主要由并联电容器及电抗器组成。在工频条件下，电容器的电抗值比系统的电感电抗值要大得多，不会发生谐振。但由于容抗XC＝1／ωC，感抗XL＝ωL，高次谐波条件下由于XL的增加和XC的减小，就可能发生并联谐振或串联谐振。这种谐振往往会使谐波电流放大到几倍甚至数十倍，会对电网及并联电容器和与之串联的电抗器产生很大的威胁，并可能使电容器和电抗器烧毁。根据日本及我国的统计，由于谐波而损坏的电气设备事故中，电容器事故约占40％，电抗器事故约占30％。下面将介绍由于谐波及谐波放大引起的事故实例，以供参考。

4.由于谐波放大造成电容器损坏

某办公大楼内部分无功补偿的低压电容器因过热而损坏，而这些电容器组接于向不间断电源（UPS）供电的回路上，见图1。当投入1组或2组50KVAR电容器时，实测得谐波电流值及电压畸变率的数值见表3。

图1某办公楼低压电容器组接线图 表3谐波电流实测值及电压畸变率

供电电流/A 谐波次数/次 电容器组电流/A 投入并联电容器容量/kvar 0 50 100 50 70 4 2 36 16 9 83 100 142 11 4 327 69 3 3 1 5 7 11 13 17 电容器均方根电流/ A 电压畸变率/% 600 538 512 10 4 8 5 11 9 283 44 2 30 62 6 9 2 8 3.8 5.9 19.6 注：供电电流由测量点1处测得，电容器组电流由测量点2处测得。 从表3中可知，当投入100KVAR电容器组时出现严重的并联谐振，将由UPS产生的30A、11次谐波电流放大近10倍达到283A，电压畸变率达到19.6％；由测量点2处测得：当投入电容器两组共100KVAR时，电容器组的电流有效值高达3A，相当于100KVAR电容器额定电流值的2.5倍，这足以充分说明引起电容器过热损坏的原因。

解决的措施：将每组50KVAR电容器串联7％的电抗器。其加装7％串联电抗器后的实测值见表4。从表4中可看出：11次谐波放大和电容器的严重过载问题都得到了满意的解决，表4还给出了在最大非线性负载条件下测得的数据。测量结果表明谐波电流均在允许值之内，无放大现象，无功补偿和抑制谐波的效果均满意。

表4每组电容器加装7％串联电抗器后的实测值

供电电流/A 谐波次数/次 电容器组电流/A 投入并联电容器容量/kvar 0 50 100 50 100 151 10 150 227 13 1 5 773 735 691 13 17 20 75 10 7 11 13

电容器均方根电流/ A

电压畸变率/%

7 45 16

6 42 15

5 40 14

1 3 1

1 6 2

1 8 3 227.8

75.2 151.5

6.4 6.0 5.7 5.用低压滤波器进行无功补偿和抑制谐波

图2为不带电抗器的补偿电容器组接线图。由于6相交流拖动负载的性质谐波含量大，电压畸变率UTHD高达12％，显然不带电抗器的补偿电容器组是不能采用的，采用带电抗器的5、7、11次滤波电容器组，进行无功补偿取得了良好的效果，基波供电电流大约下降了520A，大量谐波电流被有效吸收，供电质量达到规定的谐波限值。投入和不投入滤波器时的馈电电流及电压畸变率见表5。

图2不带电抗器的补偿电容器组接线图

表5投入和不投入滤波器时的馈电电流及电压畸变率

运 行 方 式

滤波器

谐波次数/次

不投入

滤波器

5次滤波器

滤波器

馈电电流/A

基波 5 7 11

1387 402 44 245

1065 51 57 103

956 51 1 77

860 52 2 10

投5次

投7次和

投各次

13 电压畸变率.% 38 12 61 5.4 5 3.0 8 2.0 6.因低压电容器组引起谐波放大

某工业企业在400V低压供电母线上安装了150KVAR用于无功补偿的并联电容器组，其接线图见图3。投入、运行后发现并联电容器经常损坏，为了找出原因，现场进行了谐波测量，实测数据见表6。

测量结果表明：电容器组通过的均方根电流IC值为371A，相当于额定电流的1.71倍，是引起电容器损坏的原冈，切除电容器组的情况下电压畸变率已达8.1％，投入电容器组后电压畸变率则高达13.1％，因此根据非线性负载的性质，应选用滤波电容器组进行无功补偿。

7.低压无功补偿装置的合理选择 7.1首先摸清负载的性质和谐波含量

采用普通的低压电容补偿成套装置，还是选择具有抑制谐波功能的滤波器成套装置，关键在于负载的性质和所产生的谐波分量的大小。谐波分量的数值可由谐波测试仪测得。对电力负载的性质要特别注意以下3点： 1) 载变化的幅度和频繁程度；

2) 负载中是否具有容量较大的谐波源：

3) 三相负载的不平衡程度。要求快速补偿和抑制谐波的行业，通常包括具有大

量电焊机设备的汽车制造业、冶金行业、造纸行业、电梯及起重设备、大型商住楼，以及其他具有大量变频器和大容量荧光灯照明的场所。 7.2搜集配电网及负载的技术参数

搜集配电网及负载的有关参数，为设计滤波器的方案提供依据，通常包括： 1) 电网的额定电压、运行电压和变化范围； 2) 基波频率F的无功负载；

3) 主要负载的性质、谐波次数及其分量值； 4) 实测的电网电压畸变率；

5) 不同运行方式下配电网的短路容量；

6) 国家标准GB／T14549—1993及IEC标准对谐波电压和谐波电流的限值

等。 7.3进行预测

根据网络参数，负载性质及初步提出的补偿方案，通过仿真模型的计算机计算，对是否可能发生谐波放大或谐波共振进行分析，做到心中有数。

7.4合理选择补偿装置

近二十余年来，国内外电工行业中先后开发了多品种的谐波滤波器和具有抑制谐波功能的低压无功补偿装置，主要包括：

（1）KYLB低压谐滤波补偿装置，单柜输出容量60～300KVAR滤波回路，适用于常见的5、7、11、13次谐波，各次滤波器分别由电容器及串联电抗器组成。

（2）低压3次谐波滤波器，非线性的单相负载如荧光灯、投射灯、计算机、打印机等，接入相与中性线之间，会产生3次谐波电流，并在中性线上进行并联叠加，造成电流和电压畸变。3次谐波电流除了会在中性线上引起过载危险外还会形成150HZ的磁场，因此要求从电网上滤除3次谐波电流，单柜输出容量一般为15～50KVAR。

（3）固定式带调谐滤波器组，额定容量7.5～50KVAR，1台固定式带调谐滤波器，由1台电容器和1台电抗器组成，电容器按需补偿的无功容量选择，电抗器电感值的选择要使LC回路形成串联谐振电路的谐振频率，低于电网相间存在的最低次谐波频率，通常是5次（250HZ），而调谐频率则往往按141HZ设计的。当高于调谐频率时带调谐滤波器是电感性的，不但不会放大典型的5次、7次和11次谐波，还可以吸收电网中低次谐波的一部分。

（4）自动投切带调频滤波电容器组，单柜额定容量15～75KVAR，与常规的自动投切电容器组相似，由自动功率因数控制器进行控制，在400V，50HZ电网中使用时，其调谐频率通常为130、141HZ或1HZ，如需要时也可设计为204HZ。

（5）晶闸管投切电容器组（TSC），目前已基本取代用接触器投切的电容器组。

（6）有源滤波器，从技术上讲最先进，但价格贵，其性能特点是：

a) 优良的动态特性，响应时间小于1MS； b) 三相补偿谐波电流、谐波次数可达50次；

c) 可消除中性线电流的3次谐波及其他零序性质的谐波； d) 功率损耗低；

e) 在既消除谐波又进行无功补偿的操作模式下COSφ可补偿到1； f) 电子式的过载保护；

g) 可以与各类滤波器组合使用。