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谐波抑制与电容器低压无功补偿技术研究
作者：卢晓昭
来源：《科技创新导报》2011年第26期
摘 要:随着大量非线性负荷的增多,电网中产生的谐波使无功补偿设备的可靠性和安全性降低。正确选择无源滤波方案以及电容器、电抗器的型号是保证补偿设备可靠性的关键。本文重点论述了电网在谐波环境下进行无功功率补偿应采取的措施。 关键词:低压无功补偿谐波无源滤波电容器
中图分类号:TM47 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0014-02
目前,无功补偿作为一种提高输电效率、提高输电安全性、提高供电设备利用率和改善供电质量的技术,在供电的各个系统得到广泛应用。但近几年因各种新型用电设备的大量使用,使低压电网发生较大变化,使得无功补偿设备的安全性和可靠性降低。
1 低压无功补偿的现状
据大庆某电气管理处调查资料显示,大庆某地区的无功补偿装置有90%在保质期内出现过质量问题,有50%出现过停运。该地区的低压无功补偿被业内专家评价为 “处于瘫痪状态”。出现以上的状况主要是因为近几年低压电网受到谐波污染的现象越来越普遍和严重,如表1所示为低压电网变化。
针对这种变化,设备制造厂商及大多数用户没有采取措施,在设计和元器件选型等方面仍采用过去的技术方案,使得低压无功补偿设备的可靠性和安全性降低。
补偿设备的故障主要表现在电容器因过载失效,严重的甚至发生燃烧、爆炸等恶性事故。我国低压并联电容器近几年在技术和质量上没有显著提升,以至于在招标时,设计部门或甲方单位为了保证供电系统的稳定性和可靠性,指定使用进口品牌电容器。
另外,用电单位不愿意投资对补偿设备进行谐波治理改造,或采用带滤波功能的补偿设备。因为带滤波功能的补偿设备比普通设备成本和价格高很多,用户宁可不断更换电容器也不愿进行谐波治理。
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无源滤波已是最经济的谐波治理方案,想解决谐波问题需进行必要投资,否则电网中的谐波只能越来越多,会对其他电气设备的可靠运行及安全造成较大影响,无功补偿面临的形势越加严峻。
2 谐波的危害与治理 2.1 谐波的危害
非线性负载是谐波产生的根本原因。当电流流经负载时,与所加电压不呈线性关系就会形成非正弦电流,产生谐波。谐波对电力系统造成的不良影响归纳起来有以下几方面: ①使电网电压和电流波形发生畸变,致使电能品质变坏; ②使电器设备铁损增加,造成电器设备过热,降低正常出力; ③使电介质加速老化,绝缘寿命缩短;
④影响控制、保护和检测装置的工作精度和可靠性; ⑤使具有容性的电气设备和电气材料发生过热而损坏;
⑥对弱电系统造成严重干扰,甚至可能在某一高次谐波的作用下,引起网路谐振,造成设备损坏。
其中谐波导致电容器失效,使无功补偿设备瘫痪是最为常见的。因此在存在谐波的情况下,必须掌握谐波发生的规律,设计无功补偿装置时必须有针对性地采取抑制措施。 2.2 谐波的治理
电力谐波的治理的手段主要有:增加整流设备极数、串联电抗器、有源滤波(采用电力电子设备实时补偿)和无源滤波(包括低通广谱滤波、串联调谐滤波和并联调谐滤波等)。目前一般采用无源型交流滤波装置,即由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合成滤波装置,运行中它和谐波源并联,除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要。由于它结构简单、运行可靠、维护方便,因此比国内外正在研制新型的有源型交流滤波装置应用广泛。
3 无源滤波原理及其补偿装置的设计 3.1 无源滤波的原理
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使用电抗器与电容器串联,组成一个LC串联谐振电路,把该电路并联在电网中,即构成一个最基本的无源滤波回路。 滤波回路的阻抗 (1)
当时,回路的阻抗最小,即串联谐振。调整L和C的参数,使谐振频率f等于要滤除的谐波的频率,就可使该次谐波电流大部分流过滤波回路,而不会影响电网中其它设备。对于频率最低的基波(50或60Hz),由于,所以仍可发出容性无功电流,起到无功功率补偿作用。 3.2 无源滤波器的种类及用途
如图1(a)为单调谐滤波器,简单、应用广泛。用于滤除单一频率谐波。图1(b)为双调谐滤波器,用于滤除两种频率的谐波。图1(c)为2阶阻尼滤波器(高通滤波器),用于滤除某个频率以上的所有高次谐波。图1(d)为C型滤波器,阻抗特性与高通滤波器相似,但基波损耗小,用于低次谐波多的场合,如谐波源为中频加热炉的用电系统。 3.3 设计无源滤波补偿装置的步骤
低压电网的谐波治理是一项复杂的工程,现今还没有一套完善的技术规范或标准。下面仅就在谐波环境下以无功补偿为目的的装置设计方法作简单介绍。
①确定补偿所需的总无功功率(Q)、补偿回路数(n)、每一回路的无功容量(Q0): (2)
②测量要补偿的系统的谐波电流频谱——各次谐波电流的含量,确定要滤除的目标谐波。如一般变频器使用6脉波整流器,则谐波次数主要为5、7次。 ③确定滤波回路主要元件参数: 电容器的电容量: (3)
电抗器的电感量: (4)
电抗器的电抗率: