無功補償裝置如何選型電抗器(串聯電抗器)

    無功補償裝置如何選型電抗器(串聯電抗器)
    諧波污染導致傳統的無功補償方式－并聯電力電容器無法正常投入使用，調諧型無功補償方式可有效應用于諧波污染嚴重的電網中。調諧型無功補償裝置采用電容器串聯電抗器(串聯電抗器)的方法，使該回路的調諧頻率低于網絡中產生的最低次諧波的頻率。電容器和電抗器(串聯電抗器)的特征參數共同決定了補償裝置的調諧頻率及補償容量。

    本文詳細介紹了調諧型補償裝置的調諧頻率確定原則，電容器電容值、設計電壓、設計容量計算方法及電抗器(串聯電抗器)的選擇，并以相應產品為例說明此選型過程。

    1 概述
    1.1 選用調諧型無功補償裝置的必要性
    電力系統中實現無功補償的傳統方式是并聯電力電容器。近年來，非線性負載如整流設備、變頻器、UPS、電梯、空調等廣泛使用，產生大量諧波電流并注入到電網中。

    諧波污染較大的系統中，單純并聯電容器組的無功補償方式是不能很好使用的。原因有二：一是并聯電容器組對諧波有放大作用，易發生串聯諧振或并聯諧振，使得系統電壓及電流的畸變更加嚴重；二是由于諧波電流疊加在電容器基波電流上，使電容器的電流有效值增大，造成溫度升高，減少使用壽命，甚至永久損壞。

   調諧型無功補償裝置采用與電容器串聯電抗器(串聯電抗器)的方法，使該回路的調諧頻率低于網絡中產生的最低次諧波的頻率。這樣，該裝置在工頻時呈容性，改善功率因數；在諧波頻率時呈感性，防止諧波放大，避免諧振的發生。因此，調諧型無功補償裝置得到日益廣泛的應用。

    1.2 調諧型無功補償裝置的應用場合
    現代工業和建筑物電網中完全沒有諧波電壓和諧波電流是不可能的，那么是否均需采用調諧型無功補償裝置與電抗器(串聯電抗器)呢？那也不一定。Schneider-Electric 公司給出了低壓電網選用調諧型無功補償裝置的經驗標準。變壓器視在功率為n S ，其負荷中諧波源設備視在功率為h G ，當>25%時，建議使用調諧型無功補償與電抗器(串聯電抗器)裝置。

    2 調諧型無功補償裝置的選型計算
    2.1 調諧型無功補償裝置回路分析
    調諧型無功補償裝置回路如所示：電網電壓為n U，回路中無功電流為I ，調諧電抗器(串聯電抗器)阻抗ZL，電抗器(串聯電抗器)兩端電壓為IL Z ，電容器阻抗C Z ，電容器兩端電壓為C U 。由電抗和電容的阻抗特性，電抗器(串聯電抗器)端電壓與電容器端電壓方向相反。

    2.2 調諧型無功補償裝置的選型計算
    在已知電網電壓n U ，電網諧波頻譜特性及所需單組無功補償容量Q 的情況下，如何選擇調諧補償裝置的電容器與電抗器(串聯電抗器)呢？下文將做詳細描述。

    第一步：確定調諧頻率r f 或電抗率K 或調諧次數n 。
    不同配電系統中特征諧波頻譜特性是不同的。為使調諧型無功補償裝置能夠正常使用，該回路的調諧頻率r f 需低于網絡中最低次諧波的頻率。如電網中含有3 次、5 次及以上諧波，調諧頻率r f 需低于3 次諧波頻率（50 Z H 電網中3 次諧波頻率為150 Z H ）；

    電網中含有5 次、7 次及以上諧波，調諧頻率r f 需低于5 次諧波頻率（50 Z H 電網中5 次諧波頻率為250 Z H ）。調諧頻率r f 計算方法如下：《GB50227-95 并聯電容器裝置設計規范》對調諧補償裝置的電抗率K 作出如下規定“當并聯電容器裝置接入處的背景諧波為5 次及以上時，宜取4.4%~6%；當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為3 次及以上時，宜取12%”。

    調諧頻率r f 與電抗率K 是相互關聯的。電抗器(串聯電抗器)電抗率K 的定義是工頻條件下電抗器(串聯電抗器)感抗與電容器容抗的比值配電系統中含有3 次及以上諧波，選用調諧頻率為135 Z H 的補償裝置；配電系統中含有5 次及以上諧波，選用調諧頻率為215 Z H 的補償裝置。

    第二步：確定電容器。
    選擇電容器需分別確定電容器的設計電壓UC（V ）與設計容量QC（K var ）。由式4、式8，可得補償回路的無功電流I ，則此工作電壓g U 即為電容器最低設計電壓。因此調諧無功補償裝置中電容器的設計電壓應高于電網電壓，即C g n。例：Schneider－Electric 公司的調諧無功補償裝置采用設計電壓為480V 的電容器應用于電網電壓為400V 的系統（使用條件惡劣的情況下，也可選擇設計電壓更高的電容器）。選定電容器設計電壓C U 后，需進一步確定電容器設計容量C Q ：電抗器(串聯電抗器)電抗率K ，電網電壓n U ，所需單組無功補償容量Q ，則由式5、式8 可得

    第三步：確定電抗器(串聯電抗器)。
    電抗器(串聯電抗器)的額定電壓即為電網電壓。選擇電抗器(串聯電抗器)需確定電抗器(串聯電抗器)的電感值L (mH )及基波耐流值1 I ( A )。調諧型無功補償裝置的選型計算實例下面以實例說明上述計算過程。例：已知電網電壓n U ＝400V ，所需單組無功補償容量Q＝25 K var ，系統中含有 5次、7 次及以上諧波，請確定調諧無功補償方案。第一步：確定電抗率K電網中諧波頻譜為5 次以上，電抗率K 的范圍應為4.4%~6%。已無功補償產品為例，可選定電抗率K ＝5.4%

    4 結束語
    從上述計算分析和實例可以發現，選用調諧型無功補償裝置時，電抗率是該裝置的重要參數，這一參數值需根據電網頻譜特性選擇。選取電容器的設計電壓需高于電網電壓，同時需選擇與之匹配的電抗器(串聯電抗器)。調諧型無功補償裝置向電網提供的無功補償容量由電容器和串聯電抗器(串聯電抗器)構成的補償回路特性決定。與純電容補償方式相比，調諧型無功補償方式增加了電抗器(串聯電抗器)這一元器件，使補償回路實現無功補償的同時，可以有效抑制諧波，防止發生諧振，滿足更多用戶需求。

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