发布时间 : 星期二 文章无功补偿及谐波治理更新完毕开始阅读47e4e677a417866fb84a8ec9
产生谐波的设备有很多种，基本上是不胜枚举的，简单地理解起来通过整流模块将交流电转换为直流电的过程中就会产生谐波，而根据整流模块中晶闸管或者二极管的数量可以计算出负荷产生的谐波阶次。我们现在一般谈到谐波治理，一般工厂内都要求治理5次、7次、11次、13次谐波，都是基于大量使用的六脉冲整流设备而言的。谐波可能对整个电力系统产生很大甚至是灾难性的危害，举例来说。比如对变压器，谐波电流会增加变压器的铜损和漏磁损，谐波电压会增加变压器的铁损，谐波会增加变压器的工作噪音和温升等；比如对电缆，谐波电流可能造成线路过载过热，损害导体绝缘体，同时高频谐波可能造成集肤效应降低电缆的额定载流；又比如对控制系统，谐波电流会造成电压畸变，导致电压过零点漂移，改变了线电压之间的位置点，使得控制系统判断错误，误操作等；对于无功补偿的电容器，谐波电流可能造成电容器的过电流，造成系统的并联谐振、串联谐振，快速放大谐波电流、电压，造成电容器故障。 谐波和无功补偿装置的关系
正如前文所说，国家标准的要求也罢，企业自身的需求也罢，都开始逐渐对无功补偿装置的装备提出了一定的要求。但是在实际应用中，很多企业的无功补偿装置应用之后经常出现电容器烧毁、跳闸等各种问题。究其原因，在给企业提供了无功功率的同时，对无功补偿装置本身未进行保护或者保护措施不当都会导致无功补偿装置问题的出现。无功补偿装置的核心部件是电容器，电容器本身的选型要根据用户自身所需求的功率因数来确定，并不是说功率因数越高越好。因为当无功功率补偿到一定量，比如P.F.达到0.95之后，要提高功率因数到0.96，所需要投入的无功设备其价值远远超过功率因数提高0.01所能够为企业带来的电费优惠、用电节省的价值，此时从企业角度而言，投入产出比显然不符合企业经济上的需求。同时，由于电容器补偿都有其单体大小的限制，同样的容量单体容量大的比单体容量小的要价格便宜，这就使得生产厂家推荐、用户接受的趋向于大容量化电容器。带来的问题在于单体容量大时，投入补偿的每段容量也随之增大，当补偿容量超过系统所需无功时，可能会造成过补的情况。扯的有点远，回到正题上。从实际应用而言，对无功补偿装置来说，电容器受到影响造成的装置失效或损害是无功补偿设备出现问题最可能的原因。
笔者来分析一下单纯使用电容器补偿时，系统可能会发生的一些情况。 1 电容器过电流
当系统负载产生谐波时，其等效电路相当于定电流源的变压器、电容器并联电路。随着谐波阶次的增加，从阻抗来说，变压器阻抗越来越大而电容器阻抗越来越小。谐波分流时流入电容器的也就越来越多。由于电容器投入运行时的特点是满负荷运行，考虑到谐波分流的影响，电容器投入运行时的电流超过了额定电流，当谐波电流加上电容器满载电流的数值超过电容器额定电流的1.3倍时，电容器将迅速发生故障。即使达不到额定电流的1.3倍，长期运行在超过额定电流的情况下，电容器的使用寿命也将大大减少，造成电容器的衰减，对系统无功补偿效果影响巨大。
2 系统并联谐振
同样类似1中所讨论的定电流源的并联电路，一般而言，在基波情况下，变压器阻抗是非常小的，电容器阻抗相对较大。随着系统频率的升高，变压器的阻抗将不断增大，电容器阻抗不断减小，在某个频率点时，将出现变压器阻抗与电容器阻抗相等的情况。在此情况下，系统阻抗将无限增大，由于是定电流源，对于电容器而已，系统电压也将无限增大，造成电容器的过电压，电容器迅速损坏。当然这个频率点也就是我们通常说的系统谐振点，并不一定刚好就是系统谐波的频率点，比如系统中有5次，7次谐波，系统谐振点可能是在265HZ，看起来不会造成并联谐振，但是在靠近系统谐振点的位置，5次的谐波也会被迅速放大，其影响通过计算可以得知也是非常大的，可能会将5次谐波放大7倍甚至10倍以上。
3 系统串联谐振
有人说，我们工厂使用的都是线性设备，我们没有谐波源的存在，所以在进行无功补偿时不需要考虑谐振问题。问题是即使工厂自身不产生谐波，其上级电网中也有非常大的可能性会存在谐波电流（为什么？因为不太可能是专线，同条母线上其它的用户会有谐波向上级电网排放）。此时企业的变压器、电容器与上
级电网就等效形成了一个定电压源的串联电路。如前所述，当频率不断增大时，变压器阻抗不断增大，电容器阻抗不断减小，当某一频率时，变压器阻抗与电容器阻抗相等，一个是感性的，一个是容性的，数值相等方向相反，造成系统短路，此时对电容器而言，谐波电流无限大，将造成电容器击穿。同样的，系统谐振点位置并不一定完全等同于系统谐波分流的频率，但是只要系统谐振点与系统谐波分流的频率接近时，谐波分流将迅速放大，造成电容器过电流。
正是因为上述的一些问题的存在，所以就无功补偿而言，单纯的使用电容器组来作为无功补偿是非常危险的，所以个人觉得，不少的电容器厂商和企业谈补偿的时候只卖电容器组，不谈其它内容是很不负责的做法。
现在通用的对无功补偿装置进行保护的做法是在电容器组前串联电抗器。当电抗器串联上后，由于电抗器是感性的，电容器是容性的，随着频率的增加，电抗器阻抗增加，电容器阻抗减小，电抗电容器组的总阻抗不断降低。通过设置电抗器的特性，可以根据系统需求目的的不同设置成谐波滤波器组、调谐电容器组等各种不同的电抗电容器组。在这里需要提出的是，根据笔者的经验，由于生产工艺或者现场量测的情况，也不一定是所有的电容电抗器组都是很安全的。比如说，某企业设计出一个谐波滤波器，目的是要吸收7次谐波。但是由于生产工艺不合格或者选型不合理，谐波滤波器的谐振点应该设置在349HZ的，变成了360HZ，吸收效果就会大打折扣。也可能该系统中量测时没有满载运行，实际系统中也存在大量的5次谐波，那么对这个谐波滤波装置而言也是效果比较差甚至存在一定危险的。具体的分析后面会继续探讨。 调谐电容器组与谐波滤波电容器组
在笔者最近接触的一些项目中，遇到了一些有意思的问题，实际上也反映了当前终端用户对于无功补偿情况下加装电抗器的目的不明确的现象。结合这些问题，笔者将把调谐电容器组与谐波滤波电容器组的区别加以分析，有兴趣的朋友可以一起来探讨一下。
为了分析方便，我们假定系统状态为1000KVA,10KV/0.4KV，5%的变压器，未投入电容器组前的功率因数为0.6，二次侧的系统电流1200A。现在用户希望加装无功补偿电容器组，以达到功率因数0.9的目的。
我们首先考虑需要补偿的电容器组的容量问题。系统的总输出功率为1.732UI=831KW，有功功率为0.6x831=499KW，当考察点的功率因数提高到0.9时，需要补偿的无功功率为423Kvar。假定用户采购了400V480Kvar的电容器组。
如果由于该系统负载会产生谐波电流，并且以5次为主，切除电容器组后测量的谐波总畸变率为22%，其中5次谐波的电流总畸变率为20%。那么这个时候单独安装电容器组就可能存在谐波放大的危险。
计算变压器的阻抗为X1=400x400/1000000x0.05=0.008欧姆，电容器组的阻抗X2=400x400/480000=0.333欧姆，对应5次谐波情况下的变压器阻抗为0.04欧姆，电容器阻抗为0.067欧姆。由于电容器的阻抗是容性的，变压器阻抗是感性的，在计算时两个阻抗需要取不同的正负号。考虑到5次谐波电流总畸变率20%，基波电流1200A，5次谐波电流值为240A。此时流入电容器组的电流为355A，流入变压器的电流为595A。可见由于单独的使用电容器组进行无功补偿，实际上放大了5次谐波电流。
此时，用户提出了这样的一个要求，我们来对现有电容器组进行一下改造吧，防止谐波电流放大，吸收5次谐波，降低谐波危害。问题是这样的要求，通过一个技术改造能够完全实现吗？这就涉及到调谐电容器组与谐波滤波电容器组的区别了。
从设计目的上说，调谐电容器组的主要目的还是在于实现系统无功补偿的目的，而谐波滤波电容器组的主要目的在于吸收系统谐波。根据两者的设计目的的不同，加装的电抗器也有所不同。
从调谐电容器组来说，当前一般常见的电抗器有6%、7%、14.8%的电抗器，这里的各个数值都是针对着电容器组的阻抗而言的，通过计算，我们可以得到这些调谐电容器组的系统谐振频率在201Hz/189Hz/130Hz。由于随着系统频率的不
断升高，调谐电容器组的电抗值不断增大而电容值不断减少，当系统频率高于调谐频率之后，整个的调谐电容器组的阻抗呈现感性特征，也就不会与变压器形成谐振，从而避免了谐波电流经过谐振放大的可能。换个角度说，6%、7%、14.8%的电抗器依次针对的是系统的5次、4次与3次谐波情况。
而从谐波滤波电容器组的设计来说，它的最大目的是要尽可能的吸收系统谐波，比如我们这个案例中的5次谐波，频率是250Hz，为了达到最大的吸收谐波的目的，势必要使得电容器与电抗器的系统电阻在250Hz附近最小化，这样电流向低电阻的地方流动，可以达到吸收系统谐波的目的。那么在设计时，我们可能就需要把电容器组与电抗器的谐振点设计在249Hz，此时我们需要加装的电抗器特征就变成了4%。
通过上述的分析我们就可以看出要通过加装电抗器来同时实现谐波吸收的最大化与无功补偿的最大化是很困难的，做个不恰当的比方，同样一杯水（电容器组），你又要倒入A杯（无功补偿），又要倒入B杯（谐波吸收），两者是很难同时兼顾的。当然我们不是说调谐电容器组就不能吸收系统谐波，谐波滤波电容器组就不能补偿无功，只是两者的侧重点和目的不完全一致而已。