并聯電容器組的串聯電抗器作用及電抗率選擇

      摘 要：本文主要探討并聯電容器組中的串聯電抗器具有限制涌流的作用，同時也有抑制諧波的功能，但并聯電容器不能隨意與電抗器串聯，只有電抗率配置合理，才能避免并聯諧振，控制系統諧波電流的放大。
　　
      關鍵詞：并聯電容器組；串聯電抗器作用；電抗率；諧波治理；無功補償；
　　
      一、引 言
　　目前，隨著電力電子技術的廣泛應用與發展，電力系統中的非線性負載大量增加，由于它們多以開關方式工作，會很容易引起電網內電流、電壓的波形發生畸變，從而引起電網諧波“污染”；另外，隨著各級各類用戶的不斷增加，為了提高電壓質量，減少無功損耗，提高電網的安全、經濟運行，從而需要增加大量的無功電源來提高電網的功率因數，因此，通過加裝并聯電容器組來進行無功補償，這是最為經濟和有效的措施。
　　
      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，其諧波容抗和系統的諧波感抗配合，將造成并聯諧振和諧波成倍放大，從而嚴重損壞電網中的電氣設備，破壞電網的正常運行。因此，在并聯電容器組的設計中應考慮限制涌流和抑制諧波的問題，而合理地配置串聯電抗器就能較好地解決這些問題。
　　
      二、并聯電容器組的串聯電抗器作用
      1、限制涌流
　　電網是一個很復雜的系統，其由很多設備元件組成，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 并聯電容器組與串聯電抗器回路圖
　　如圖1所示，Ls可忽略不計，Ls、L分別為系統的感抗和串聯電抗器的電抗。
　　1.1根據國標GB/11024.1-2001“附錄D”中的規定，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：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：
　　根據電容器裝置的設計標準要求，電容器組的合閘涌流必須限制在額定電流的20倍以內。根據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λ≤20，即得K≥0.3%，由此可見，并聯補償電容器組中串聯一定電抗值的電抗器，就可以把涌流限制在一定的倍數內，而且只要串聯較小的電抗值的電抗器，補償支路的合閘涌流就已經有限了。
　　
      2、抑制諧波
　　在并聯電容器組接入諧波“污染”的系統前，如果不采取必要的措施，并聯電容器組的容性負荷性質，就會很容易與系統中的感性負荷形成振蕩回路，將電網的諧波放大。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，導致電容器組在運行中發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電容器組回路中串聯電抗器。但是串聯的電抗器絕不能與電容器組隨意組合，更不能不考慮系統的諧波。
　　
      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，電容器組支路發生串聯諧振，其支路為濾波回路。
　　b：當nXl-Xc/n＞0時，即nXl＞Xc/n，電容器組支路呈現感性時，不會和系統的感性負荷產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，在變電站設計中，為抑制3次諧波，我們通常串聯a=12%的電抗器，為抑制5次諧波，我們通常串聯a=6%的電抗器。
　　
     2.1以下數據為某變電站35kV系統并聯電容器組在投運前后，對系統的諧波變化情況的測試，其中1號電容器組串聯a=12%的電抗器，2號電容器組串聯a=6%的電抗器。上表中的測試結果表明，當電抗率a=12%的電容器組投入運行時，系統的3次諧波明顯減少；當電抗率a=6%的電容器組投入運行時，系統的5次諧波明顯減少，但是引起了3次諧波的放大，從而導致系統的電壓總畸變率變大。因此，在安裝電容器組前，應先對系統諧波進行測試，然后對主要“污染”諧波有針對性地進行串聯電抗器的配置。

      在變電站進行投切并聯電容器組時，考慮抑制高次諧波原因，在允許的情況下應優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而成一個電容器單元），每相由四個這樣的電容器單元串聯而成，然后每相串聯一組電抗器（BCKSG型）。并聯電容器與串聯電抗器的接線，如圖：
　　
　　2.2.2 BCKSG型串聯電抗器作電容器組限流和濾波用,其中電抗值較小的串聯電抗器用于抑制五次諧波；電抗值較大的串聯電抗器用于抑制三次諧波。
　　
      2.2.3 35kV 11C并聯電容器組間隔設備的相關參數：串聯電抗器的型號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電容器組間隔設備的相關參數：串聯電抗器的型號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，經過計算，21C電容器組單相的容抗Xc=24.3歐。
　　
      2.2.4 根據計算公式：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%。經驗算，以上結果基本滿足要求。
　　
      三、結 論
　　串聯電抗器是無功補償電容器組的重要組成部分，并聯電容器組的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，在配置串聯電抗器時，必須對系統諧波進行測試，從而做出對并聯電容器電抗率的合理選擇。