低压电网谐波治理和无功补偿装置的合理选择

低压电网谐波治理和无功补偿装置的合理选择

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。

2 低压电网中谐波分量的限值

为了限制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。

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，谐波限制越严。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;另外对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。

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。根据有关资料报道，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%。电子式电能表占60%，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

某设备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，当投入电容器时，实测得谐波电流值及电压畸变率的数值变化很大。这足以充分说明引起电容器过热损坏的原因。

解决的措施:将电容器串联电抗器。其加装串联电抗器后谐波放大和电容器的严重过载问题都得到了满意的解决，实际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。 5 低压无功补偿装置的合理选择 5.1 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负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。

5.2 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。

5.3 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。

5.4 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）低压谐波滤波器，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189Hz，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，目前国内尚无此类批量的产品。其性能特点是:①优良的动态特性，响应时间小于1ms;②三相补偿谐波电流、谐波次数可达50次; ③可消除中性线电流的3次谐波及其他零序性质的谐波;④功率损耗低;⑤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;⑥电子式的过载保护;⑦可以与各类滤波器组合使用。