抑制諧波串聯電抗器的選用情況和TSC動態無功補償解析
摘要：為進一步搞好設備的配套改造，加強設備管理，實現供電系統的經濟運行，減少整個供電系統設備的損耗，獲得*佳經濟效益的設備運行方式，對抑制諧波串聯電抗器的選用進行了較為詳細的闡述。本文主要對具體抑制諧波串聯電抗器的選用情況和TSC動態無功補償進行了解析。
關鍵詞：電網 功率因數 節能降耗 科學 諧波治理設備 TSC和TSF動態無功補償
補償用并聯電容器對諧波電壓*為敏感，諧波電壓加速電容器老化，縮短使用壽命。諧波電流將使電容器過負荷、出現不允許的溫升，特別嚴重的是當電容器組與系統產生并聯諧振時電流急速增加，開關跳閘、熔斷器熔斷、電容器無法運行。為避免并聯諧振的發生，電容器串聯電抗器。它的電抗率按背景諧波次數選取。電網的背景諧波為5次及以上時，宜選取4.5% ~ 6%；電網的背景諧波為3次及以上時，宜選取12%
一、 電抗率K值的確定
1. 系統中諧波很少，只是限制合閘涌流時則選K=0.5~1%即可滿足要求。它對5次諧波電流放大嚴重，對3次諧波放大輕微。
2. 系統中諧波不可忽視時，應查明供電系統的背景諧波含量，在合理確定K值。電抗率的配置應使電容器接入處諧波阻抗呈感性。電網背景諧波為5次及以上時，應配置K=4.5~6%。通常5次諧波*大，7次諧波次之，3次較小。國內外通常采用K=4.5~6%。配置K=6%的電抗器抑制5次諧波效果好，但明顯的放大3次諧波及諧振點為204Hz，與5次諧波的頻率250Hz，裕量大。配置4.5%的電抗器對3次諧波輕微放大，因此在抑制5次及以上諧波，同時又要兼顧減小對3次諧波的放大是適宜的。它的諧振點235Hz與5次諧波間距較小。電網背景諧波為3次及以上時應串聯K=12%的電抗器。在電抗器電容器串聯回路中,電抗器的感抗XLN與諧波次數虛正比；電容器容抗XCN與諧波次數成反比。為了抑制5次及以上諧波。則要使5次及以上諧波器串聯回路的諧振次數小于5次。這樣，對于5次及以上諧波，電杭器電容器串聯回路呈感性，消除了并聯諧振的產生條件；對于基波，電抗器電容器串聯回路呈容性，保持無功補償作用。如電抗器電容器串聯回路在n次諧波下諧振，則:
式中XCN/XLN為電抗率的倒數，不同的電抗率對應不同的諧振次數或不同的諧振頻率，如表1所示。電抗器的電抗率以取6%為宜，可避免因電抗器、電容器的制造誤差或運行中參數變化而造成對5次諧波的諧振。若電容器接入處，電網被污染嚴重，電抗率要另行計算。
Hz
如：K=4.5%則
；K=5%則
K=6%則
；K=7%則
K=12%則
表1 電抗率對應的諧振次數或諧波頻率
電抗率 | 諧波次數 | 諧波頻率Hz |
4.5% | 4.71 | 235.5 |
5% | 4.47 | 223 |
5.5% | 4.26 | 213 |
6% | 4.08 | 204 |
電容器串聯電抗器后，電容器端電壓會升高。為了便于分析。畫出電流、電壓向量圖，如圖表示。
圖 電抗器的設置、電流、電壓向量
以電流I為基準，電抗器上壓降ULN超前電流90°，系統電壓UXN為兩者向量和：UXN=UCN-ULN。如電抗器電抗率為6%，則：
ULN=0.06UCN
UXN=(1-0.06)UCN
UCN=UCN/(1-0.06)=1.064UXN
電容器串聯電抗率為6%電抗器后，電容器端電壓為電網電壓的1.064倍
電容器允許產期運行在1.1倍額定電壓下。因此，電容器端電壓升高6.4%是可以承受的。如電抗器電抗率為12%，電容器端電壓升高13.6%，應當選用額定電壓440V電容器。
串聯電抗器后回來電流也將增大，電抗率K=6%，電容器端電壓為電網電壓的1.064倍電流也增加到相同倍數。無功功率補償容量是增加還是減少？電容器端電壓升高無疑會增加無功功率補償容量。
（1）電容器無功功率補償容量Q’C
Q’C=（UCN/ UXN）2QC=(1.064UXN/UXN)2
Q’C=1.13QC
（2）電抗器消耗容性無功功率QL
QL=3I2XLN=3(1.064 UXN/UXN)2(0.06 XCN)
=1.0642×0.06×(3U2XN/XCN)=0.068QC
（3）實際無功功率補償容量：
Q’C－ QL=(1.13-0.068) QC=1.062 QC
從上式看出，電容器串聯電抗器后，無功功率補償不但沒有減少，反而增加6.2%。
二、電抗器的安裝位置
串聯電抗器無論裝在電源側或中性點側，從限制合閘涌流和抑制諧波來說都是一樣的。
電抗器裝在電源側時運行條件苛刻，因它承受短路電流的沖擊，對地電壓也高（相對于中性點），因而對動、熱穩定要就高，鐵心電抗器有鐵心飽和之慮。
電抗器裝在中性點側時對電抗器要求相對低，一般不受短路電流的沖擊，動、熱穩定沒有特殊要，就承受的對地電壓低。可見它比安裝在電源側缺少了電抗器的抗短路電流沖擊的能力。
三、電抗器的結構
電抗器的結構形式主要有空芯和鐵芯兩種結構。
鐵芯結構的電抗器主要優點是：損耗小，電磁兼容性叫好，體積小。缺點是：有噪音并在事故電流較大時鐵芯飽和失去了限流能力。當干式鐵芯且采用氧樹脂鑄線圈的電抗器，其動、熱穩定性均很好，適合裝在柜中。油浸式鐵芯電抗器雖然體積大些，但噪音較小，散熱較好，安裝方便，適用于戶外使用。
空芯電抗器的主要優點是：線性度好，具有很強的限制短路電流的能力而且噪音小。缺點是：損耗大，體積大。這種電抗器戶內，戶外都適合，但不適合裝在柜中。在戶外安裝容易解決防止電磁感應問題。*好采用分相布置“品”字形或“一”字形。這樣相間拉開了距離，有利于防止相間短路和縮小事故范圍。所以這種布置方式為優選。當場地受到限制不能分相布置時，可采用互相疊裝式產品。三相疊裝式產品的B相線圈繞線制方向為反方向使支柱絕緣承受壓力，因此在安裝時一定按生產廠家的規定。
四、TSC動態無功補償，它采用晶閘管開關（過零觸發），投切電力電容組，實現無功補償。有效改善用電負荷的功率因數，具有顯著的節能效果。在TSC系統中采用串聯電抗器，可有效地防止諧波放大，有效的吸收大部分諧波電流，新鄉逐鹿協力電力設備有限公司是國際上**進行動態無功補償和濾波的公司。主要市場遍布國內。2005年以來，已有數百套裝置在20于省市各行業中應用。
所有的汽車廠，點焊機負荷變化極為快速，并且引發大量的無功功率，這種負荷經常產生較大的電壓波動、電壓閃變，導致電焊質量差并影響焊接的生產效率，過電流會損壞電極及被焊接材料、而欠電流也會嚴重地影響焊接質量。采用新鄉逐鹿協力電力設備有限公司動態補償裝置能明顯地提高焊接質量及生產效率，穩定電壓、消除閃變并能充分地利用現有的設備，減少基本費用開支。
核心部件是控制器。由信號處理器DSP和VLSI電路為基礎，在每一個電網周期對所有的數據進行分析1ms內據算出所需無功補償的技術，所有相的諧波分量同時都被計算出來，發出觸發信號確保5~20ms投切電容器組，AR型串7%的電抗器（平衡補償系統），或14%的電抗器（不平衡補償系統），以防止電容器組與電網發生5次、3次諧波并聯諧振。
汽車工業點焊設備絕大多數是用380V電源，由二相供電（L1—L2、L2—L3或L3—L1）,通常三相負載的平衡問題在工廠供電設計時就已經考慮，把點焊機的供電布局接**衡，避免因三相不平衡而出現零序電流，所以在這種情況下通常采用三相平衡就可以了。參看歐美幾個大汽車公司的有關資料，點焊機的供電不平衡度為20%以下時，對供電網絡采用無功功率平衡補償無大礙，在不平衡度超過20%時，就應該考慮選用不平衡補償。
新鄉逐鹿協力電力設備有限公司的三相不平衡補償系統，補償電容器組額定電壓為480V，且電容器分為三組，為三角形接法，每組分別連接L1-L2、L2-L3、L3-L1。當點焊機一旦工作，控制器同步進行網絡檢測分析，分別確定連接L1-L2、L2-L3、L3-L1電源上的點焊機所需的無功功率，并與設定的目標值比較，在小于20ms內投切對應在L1-L2、L2-L3、L3-L1上的不同容量的電容器組，從而及時補償無功功率。
新鄉逐鹿協力電力設備有限公司動態無功補償的優勢，*重要的是補償響應時間和補償電容器的接線方式。在國外公開資料中，只有新鄉逐鹿協力電力設備有限公司等少數公司能做到5-20ms投切全部電容器組，世界上其他有名廠家只能做到80ms或100ms投切一步電容器組。對于跨接在二相供電上的焊接系統的補償，*先進、**的技術是新鄉逐鹿協力電力設備有限公司的三角形接法的三相不平衡補償系統。
參考文獻
1. 潘艷，劉連光，胡國新（Pan Yan, Liu Lianguang, Hu Guoxin）．補償電容器串聯電抗對無源LC濾波器性能的影響（Affection of compensating capacitor bank in series with reactor onperformance of passive filter consisting of inductance andcapacitance）[J]．電網技術（Power System Technology），2001，25(7)：56-59，71．
2. GB/T 14549-93，電能質量公用電網諧波[S]．
3. 呂潤馀．電能質量技術叢書第三分冊—電力系統高次諧波[M]．北京：中國電力出版社，1998．
4. GB 50227-95，并聯電容器裝置設計規范[S]．
5. 楊昌興（Yang Changxing）．并聯電容器裝置的諧波響應及抑制對策（Harmonic response of shunt capacitor devices and its restrictedcountermeasures）[J]．浙江電力（Zhejiang Electric Power），1994，(1)：22-30．
6.楊保豫《諧波串聯電抗器的應用》新鄉：今日出版社 2008
河南逐鹿電力設備(集團)公司是專業從事電力變壓器、斷路器、箱式變電站、高低壓無功補償成套裝置、有源無源電力濾波補償裝置、專用諧波治理補償成套裝置等輸配電設備和電網電能諧波治理成套裝置研發、生產、銷售的大型企業。集團由中外合資河南逐鹿變壓器有限公司、中外合資新鄉逐鹿協力電力設備有限公司、河南逐鹿電器有限公司、新鄉中原變壓器有限責任公司和新鄉逐鹿變壓器波紋油箱廠五家控股（獨資）企業組成。集團產品暢銷20多各省、市、自治區，先后服務于國家重點工程格爾木—拉薩鐵路和黃河二橋、深圳地鐵等重大項目，并遠銷東南亞、蒙古國等多個國家和地區。集團堅持長期引進國外技術，聘請多名國外專家到公司工作，與國內清華大學、沈陽變壓器研究所等建立了長期的人才培養和技術合作關系，不斷壯大自身產品研發實力；建立了省級企業技術中心，擁有一支強大的科研人才隊伍，取得了多項國家**，產品的設計、制造、質量、性能均達到國內先進水平。
新鄉逐鹿協力電力設備有限公司是從事高低壓輸配電設備及其相關產品制造的中外合資企業，公司的主要產品有組合式電力變電站、高低壓斷路器、高低壓開關柜及其相關產品、高低壓無功補償成套裝置、有源無源電力濾波補償裝置、專用諧波治理補償成套裝置等輸配電設備和電網電能諧波治理成套裝置等。公司利用現代化的企業管理方式，建立了從設計、加工、裝配到出廠的一整套嚴格的質量保證體系，并已通過ISO9000質量體系認證和“CCC”強制性產品認證，廣泛采用CAD參數化系統對產品進行設計和制造，配置以高等級的凈化裝配車間、先進的生產加工設備、完善的檢測設備和檢驗手段、**的員工素質等上等資源，建立了優良的售后服務網絡，確保了產品的先進性和可靠性，使企業的綜合經濟效益排名始終處于較好的名次，各項技術經濟指標在河南省均為前列。