【電抗器原理】串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的選型分析

      20世紀(jì)80年代初，為了促進(jìn)提高國產(chǎn)電容器產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，國家采用了重大舉措，其中包括由原水利電力部統(tǒng)一從西歐、日本進(jìn)口一批電容器，分配給東北、華北和華東電網(wǎng)集中裝設(shè)在110kV及以上變電所，并效法日本的做法規(guī)定要求一律用6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)，一時(shí)全國各地（除浙江省等個別省區(qū)外）形成幾乎以此為“主導(dǎo)”的設(shè)計(jì)模式。　　 
 
      隨著各地大容量電容裝置的相繼投運(yùn)，通過現(xiàn)場諧波實(shí)測，人們逐步發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識到事實(shí)不象教科書所說的那樣，3次諧波只有零序分量可被變壓器Δ接法的線圈所環(huán)路，而是到處流通。除了電氣化鐵道，電弧爐負(fù)荷是3次諧波源以外，根據(jù)大量測試分析結(jié)果證明，變壓器也是電力諧波的一個重要發(fā)生源，其主要成分是3次諧波。由于變壓器的激磁電流加上鐵芯的磁飽和，以及電力系統(tǒng)中普遍存在的3相電路與磁路的不對稱，三相電源電壓不僅在幅值上有差別，而且在相位上不是各差120°，故即使在變壓器三角繞組側(cè)的線電壓，線電流中也仍然存在3次諧波分量，它們是正序和負(fù)序分量。因此，3次諧波遍及電網(wǎng)，尤其是在負(fù)荷低谷時(shí)，隨著電網(wǎng)運(yùn)行電壓的升高，變壓器鐵芯飽和程度的加深，其產(chǎn)生的3次諧波含量也隨之增大。根據(jù)浙江電網(wǎng)近年來對10～500kV各級網(wǎng)絡(luò)165個測點(diǎn)的諧波普測結(jié)果，以3次為主導(dǎo)諧波和3、5次諧波為主導(dǎo)諧波合計(jì)占總測點(diǎn)數(shù)的92％；

      據(jù)紹興地區(qū)電網(wǎng)監(jiān)測結(jié)果以3次諧波為主占總測點(diǎn)數(shù)的79％，以3次和3、5次為主合計(jì)占94％，這樣的背景諧波情況在全國電網(wǎng)是具有普遍性的，事實(shí)證明，我國國情與日本國不同，后者電網(wǎng)不存在3次諧波，電容器組串接5％～6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)以抑制電網(wǎng)5次及以上諧波是正確的，而我們效法后者，就把串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)選用引入“誤區(qū)”。電網(wǎng)普遍存在3次諧波的狀況，以及曾有過的“誤導(dǎo)”，給電容器裝置及其相連電網(wǎng)的運(yùn)行所帶來的影響是不容低估的。　　
 
      電容器裝置盲目采用串接5％～6％的串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)投入電網(wǎng)后，引起3次諧波的放大甚至發(fā)生諧振已成為不爭的事實(shí)。眾多的文獻(xiàn)陳述了220kV及以上樞紐變電所中的河南湯陰變、湖南曲河變、湖南寶慶變、廣西玉林變、張家口宣化變的電容裝置投運(yùn)后，曾先后發(fā)生由于3次諧波諧振引發(fā)的部分電容器和配套器件損毀，甚至全部電容器燒毀的事故；北京地區(qū)聶各莊變、呂村變、南苑變、王四營變、浙江紹興的渡東變等等，均發(fā)生3次諧波諧振而被迫停運(yùn)采取改造措施。至于110kV及以下變電所電容器裝置投運(yùn)后，通常發(fā)生電網(wǎng)諧波放大超標(biāo)，引起電容器，電抗器振動、發(fā)熱、保護(hù)誤動，甚至設(shè)備損壞。　　
 
      根據(jù)大量電容器裝置工程實(shí)例的計(jì)算分析與現(xiàn)場測試驗(yàn)證，結(jié)果證明可以采用簡化的電路模型（如圖1，2所示），來分析估算電容器裝置的接入對電網(wǎng)3次諧波的影響，以及諧振容量的估算。按電容器裝置投入點(diǎn)的情況不同分為兩種類型：　　
      1）當(dāng)電容裝置側(cè)有諧波源時(shí)，其分析電路模型如圖1所示。圖中，In為諧波源的第n次諧波電流；XS為系統(tǒng)等值工頻短路電抗；XC為電容器組工頻容抗；XL為串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)工頻電抗（XL＝AXC，A為電抗率）；n為諧波次數(shù)，為了分析電容裝置接入電網(wǎng)后以對某次諧波變化的影響，特定義電容器組投入后與投入前系統(tǒng)諧波電壓之比為某次諧波電壓放大率（FVn），經(jīng)推導(dǎo)可得：

      式中，S＝XS／XC＝QCN／SD其中，SD為電容裝置接入處母線短路容量，QCN為電容裝置容量。當(dāng)（1）式分母的數(shù)值等于零時(shí)，表示電容裝置與電網(wǎng)在第n次諧波發(fā)生并聯(lián)諧振，并據(jù)此推導(dǎo)出估算電容裝置諧振容量（QCX）的算式：

      從物理意義上解釋：當(dāng)電容裝置側(cè)存在3次諧波電流源時(shí)，串接6％及以下串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的電容器組在3次諧波下的阻抗呈容性，而系統(tǒng)阻抗為感性，兩者并聯(lián)阻抗增大（比起電容裝置接入前單一的系統(tǒng)阻抗3XS而言），故電容裝置接入后比接入前，其裝置側(cè)網(wǎng)絡(luò)3次諧波電壓增大（即3次諧波電壓放大），一旦電容器支路與系統(tǒng)等值回路的3次諧波阻抗值相等或接近相等（符號相反），兩者并聯(lián)阻抗為無窮大即進(jìn)入并聯(lián)諧振，引起電容裝置嚴(yán)重過電壓過電流而損毀，同時(shí)危及系統(tǒng)安全。　　
 
      從（2）式可得，當(dāng)電容裝置選用5％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)且容量達(dá)到或接近系統(tǒng)短路容量的6％時(shí)，或者選用6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)且其容量達(dá)到或接近系統(tǒng)短路容量5％時(shí)，就會發(fā)生3次諧波并聯(lián)諧振或接近于諧振。上述220kV及以上變電所的電容裝置工程實(shí)例證實(shí)了從（2）式得出的結(jié)果。110kV及以下變電所的電容裝置容量相對較小，（通常S＞5％），但會引起3次諧波放大，甚至嚴(yán)重放大。從（1）式可以揭示，在同一裝置場所，在選用串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)的電抗率（A）為0．1％～6％范圍內(nèi)，隨著A的增大，或者隨著S的增大（即電容裝置投入容量的增大），3次諧波電壓放大程度（FV3）也隨著增大。

　　2）當(dāng)電容裝置本側(cè)無諧波源時(shí)，其分析電路模型如圖2所示。在220kV及以上樞紐變電站，為了調(diào)相調(diào)壓的需要，在主變的低壓側(cè)裝設(shè)了大容量的分組投切電容器組，裝置側(cè)無負(fù)荷，諧波來自主變高壓側(cè)。按圖示定義裝置側(cè)母線諧波電壓UBn與高壓側(cè)母線諧波電壓UAn之比為諧波電壓滲透率SVn，如忽略變壓器第n次諧波電阻，SVn可由（3）式估算：

      式中，ST＝XT／XC；XT為變壓器工頻短路電抗。當(dāng)（3）式分母的數(shù)值等于零時(shí)，表示電容裝置在第n次諧波處發(fā)生串聯(lián)諧振，并據(jù)此推導(dǎo)出估算串聯(lián)諧振容量QCX的算式：

       式中Se為變壓器額定容量；UK％為變壓器短路電壓百分值，其他符號意義同上文。當(dāng)Se和UK％參數(shù)已知時(shí)，用（4）式估算不同的電抗率A所對應(yīng)的電容裝置發(fā)生3次諧波串聯(lián)諧振容量。從理論計(jì)算與實(shí)際工程驗(yàn)證，一旦電容裝置容量達(dá)到變壓器容量的15％及以上，如選用5％～6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)就會發(fā)生3次諧波嚴(yán)重放大，甚至出現(xiàn)串聯(lián)諧振。　　 

      綜上所述，對于樞紐變電所裝設(shè)的大容量電容裝置要避免進(jìn)入串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)選用的誤區(qū)，慎防對電網(wǎng)3次諧波的嚴(yán)重放大或諧振；對于110kV及以下變電所，如電容裝置處背景諧波中有較大3次諧波含量的，忌用5％～6％串聯(lián)電抗器(濾波電抗器)。