氧化铝厂无功补偿装置的谐波放大问题

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【摘 要】氧化铝厂存在大量的非线性用电设备，能产生大量谐波。并联补偿电容器对谐波有放大作用甚至会与系统发生并联谐振，危及设备安全运行。通过分析电容器与系统谐波放大的原理，论述其产生的危害，并制定出可行的解决措施。

【关键词】供配电系统；谐波；电容器；电抗器电抗率

随着新工艺和新设备的不断应用，氧化铝厂的电力设计相对于传统的做法，已经有了较大的变化。电容器是一种对谐波极为敏感的电气设备，其容抗随频率的变化而不同。在供配电系统中，电容器会受谐波的影响产生过电流或过电压，使其绝缘损坏或缩短使用寿命。为了减少和避免谐波对电容器的损坏，从电容器工作原理出发，分析谐波对电容器的影响，并制定出可行的解决措施。

1 电容器对谐波电流的放大作用

如果供配电系统没有电容器设备且不考虑线路的电容，则其谐波阻抗：

（式中 为系统的n次谐波电阻， 为n次谐波电抗， ， 为基波电抗。）

并联电容器后，设并联电容器基波电抗为 ，n次谐波电抗为 ，系统谐波等效电路如图1所示。

图1 系统的谐波等效电路

系统的n次谐波阻抗值 为

从上式可以看出，装设电容器后，系统的谐波阻抗随系统的谐波频率不同会发生变化，即可以为感性也可以为容性，并且当系统的谐波频率达到某一特定值时，并联电容器可能会与系统发生并联谐振，使等效谐波阻抗达到最大值。

谐波源产生的谐波电流的大小取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，也就是说，供配电系统中主要谐波源为电流源，其主要特征是外阻抗变化时电流不变。假设谐波源为n次谐波电流 注入供配电系统， 为进入系统的谐波电流， 为进入电容器的谐波电流，如图2所示。

图2 有谐波源的谐波等效电路

根据电路计算公式：

当 时，并联电容器与系统阻抗发生并联谐振，由于 ， ，此时 、 均远大于 ，这时的所以谐波电流被放大了。

因 ， 故谐振点的谐波次数为 ，即当谐波源中含有次数为 的谐波时，将引起谐振。若谐波源中含有次数接近 的谐波时，虽然不会引起谐振，但也会导致该次谐波被放大。

2 谐波导致的电容器问题

谐波过电压不仅会使系统电流、电压的波形发生畸变，而且还会造成电能质量降低、电气设备损耗增加、电气设备出力降低、绝缘介质加速老化、设备使用寿命降低或因长期过热损坏，影响控制、保护装置的工作可靠性。

3 防止谐波被放大的解决措施

制定出可行的解决措施，对谐波进行抑制相当重要，常用的方法是采用串联电抗器。通常氧化铝厂供配电系统高次谐波电流主要是3、5、7等奇次分量，故必须重点抑制和防范奇次谐波对并联电容器造成的危害。

根据并联电容器对谐波电流放大的作用，改变并联电容器与系统阻抗的谐振点，避免谐振的发生，可以有效地解决并联电容器对谐波的放大。通常做法是给并联电容器串接一个电抗器，其电路如图3。

图3 串联电抗器后的谐波等效电路

为串接电抗器的基波电抗，由于通常情况下 ，忽略 ，串接电抗器后，

以上两式看出，当 时，并联电容器此时将与系统发生并联谐振，谐振点的谐波次数 与未串接电抗器之前相比，谐振点谐波次数明显低于未串电抗器时的谐波次数，且串接的电抗器电感越大，谐波次数 越低。因此，通过串接电抗器电感量的大小来控制并联谐振点的位置，能够有效避开谐波源中所包含的各次谐波，避免并联谐振的发生。

综合以上论述，欲抑制谐波过电压，必须使 ，即 。抑制3次谐波时，n=3（单相可控整流装置产生的最低次特征谐波），则 ，又考虑电抗值应有一定的裕度，故应引入可靠系数，一般取值范围：1.2～1.5，亦即 。抑制5次谐波时，n=5（三相全控整流装置产生的最低次特征谐波），则 ，又考虑电抗值应有一定的裕度，应引入可靠系数，一般取值范围：1.2～1.5，即 。所以在《并联电容器装置设计规范》GB50227-95中，抑制3次谐波的串联电抗器的电抗率为12%，抑制5次谐波的串联电抗器的电抗率为6%。

在并联电容器支路中串联电抗器的电抗率为12%时，对于3次谐波和3次以上的各次谐波，该支路均呈现感抗，因而可有效地抑制了谐波电流对并联电容器的影响。串联电抗器的调谐频率应低于电网中的谐波电流的最低频率，如果系统中有大量单相非线性负载，串联电抗器的电抗率应为12%，如果系统中有大量三相六脉波全桥可控桥式整流负载，串联电抗器的电抗率为6%。

4 串联电抗器的安装位置

如果无功补偿装置的并联电容器为三角形接线，串联的电抗器一般安装在电容器组的电源侧，该接线方式要求电抗器具有较高的机械强度。是由于在母线短路或在电容器击穿短路时，电抗器要承受很大的短路冲击电流。如果无功补偿装置的并联电容器为星形接线，串联的电抗器一般安装在电容器的中性点处，这时可对机械强度放宽一些，是由于在任意处发生短路时，都不至于对串联的电抗器造成损害。

5 结语

在无功补偿装置投运时必须防止谐波被放大的现象发生。当无功补偿装置不能兼顾无功补偿要求和消除谐波放大条件时，应在并联补偿电容器中串联电抗器来抑制。串联电抗率的选择，应考虑无功补偿装置接入处谐波源的存在情况。

参考文献：

[1]王兆安.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，2005.

[2]任元会.工业与民用配电设计手册[M].中国电力出版社，2005.