谐波治理与串联电抗器
摘要：电力系统谐波和无功补偿装置两者之间密切关联，并联电容器组采用串联电抗器对谐波治理是有效的措施，而电抗器电抗率的选择尤为重要。
关键词：谐波谐振无功补偿装置串联电抗器电抗率
1. 概述
在电力系统中，为了节能降损、提高电压质量和电网经济运行水平，经常采用各种无功补偿装置。而在配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、各种电力电子设备以及电气化铁路大量应用。这些负荷大都具有非线性、冲击性和不平衡性的特点在运行中会产生大量谐波。这些谐波对无功补偿装置造成了严重影响。对于某次谐波，作为无功补偿用的并联电容器若与呈感性的系统电抗发生谐振则会出现过电压而造成危害。当无功补偿装置运行地点的谐波比较严重时，电压、电流波形会有很大畸变，给电容器本身带来极大损伤，甚至会引起电容器保护装置的误动或拒动。
无功补偿与谐波治理两者关系密切。产生谐波的装置大都是消耗基波无功功率的装置；谐波治理的装置通常也是无功补偿装置。因此为了能同时实现无功补偿和谐波治理的装置，就必须将二者结合起来进行研究。
2．电容器无功补偿装置中的谐波问题
2.1 谐波源分类。谐波源有两种。一种是谐波电流源，这些用电设备中的谐波含量取决于它自身的特性和工作状况基本上与供电系统参数无关。另外一种是谐波电压源，发电机在发出基波电势的同时也会有谐波电势产生，其谐波电势大小主要取决于发电机本身的结构和工作状况。实际上，在电网中运行的发电机和变压器等电力设备，输出的谐波电势分量很小几乎可以忽略。因此，在供电系统中存在并实际发生作用的谐波源，主要是谐波电流源。
2.2 谐波对并联电容器无功补偿的影响。在用并联电容器进行无功补偿的供电系统中电网以感抗为主，电容器支路以容抗为主。在工频条件下并联电容器的容抗比系统的感抗大得多，可发出无功功率对电网进行无功补偿。但在有谐波背景的系统中大量的非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，对这些谐波频率而言，电网感抗显著增加而补偿系统容抗显著减小，导致谐波电流大部分流入电容器支路，若此时电容器的运行电流超过其额定电流的 1.3 倍，电容器将会因过流而产生故障。另外，针对无功补偿系统的调谐频率，如果电网中存在该特定频率的谐波电流源，则该谐波将直接被放大严重时，还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将导致谐波电压和电流明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。
2.3 谐波与并联谐振
当电网中的谐波主要由非线性用电负荷产生时，此时的谐波源可看作一个很大的电流源，
其产生的谐波电流加在系统感抗和电容器的容抗之间，形成并联回路。电容器对n次谐波的容抗降为x c/n，系统电感对n次谐波的感抗升高为nx L。在电网存在有n次谐波电流时，如果符合nx L=x c/n的条件，则将产生n次谐波的谐振现象，形成并联谐振。此时总体阻抗为无穷大，相当于开路，即使系统中的n次谐波电流不大，但流入电容器的n 次谐波电流也将会很大（理论上为无穷大，实际上，由于存在电阻，谐波电流为一很大的有限值），被放大的谐波电流流经电容器时可导致其内部组件过热而出现故障。
2.4 谐波与串联谐振
当上一级电网系统电压波形严重畸变时，此时的谐波源相当于一个很大的电压源。谐波电压将在变压器的感抗和电容器的容抗间形成串联回路。当感抗和容抗相等时，将形成串联谐振。此时总体电抗为0，相当于短路。谐波电压将在串联回路上形成强大的电流，直接流经补偿电容器使电容器因过流而迅速故障。在有谐波背景的供电系统中单独使用电容器进行无功补偿时，若发生串联谐振，大部分谐波电流将流入电容器组中而导致其迅速产生故障。为了避免上述情况的发生，在并联电容器的回路中串联电抗器是非常有效和可行的方法。串联电抗器的主要作用是抑制高次谐波和限制合闸涌流。
3 串联电抗器
在有谐波背景的电网中，为了滤除谐波，就要为谐波提供一条释放路径，即保留基波而使谐波短路，也就是使谐波通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。为此，可采用在原来并联电容器的支路上串接一个适当大小的电抗器。此时，整个补偿电容器支路对谐波源基波仍呈容性保持其无功补偿作用不变。而对高次谐波补偿支路则呈感性免了与系统形成电流谐振，消除或减小了由于补偿电容所引起的谐波电流放大现象。
3.1 电抗器电抗率大小的选择。串联电抗器必须考虑电容器接入处电网的谐波背景，绝不可任意组合。只有合理选择串联电抗器的电抗率，使之与电容器进行合理匹配，才能有效地起到抑制谐波的作用。电抗率K=XL/XC，发生n次谐波串联谐振的条件是K=1/n2。如3
次谐波时，电抗率K=1/9=11%;5次谐波时，电抗率K=1/25=4%;为避免发生谐振，应使回路呈稍感性。故电抗器的电抗率K值常见的为5-6%、11-13%。选择原则如下：（1）补偿电容器接入处的背景谐波为3次，而且含量已超过或接近标准时，宜选用12%的串联电抗器。
（2）补偿电容器接入处的背景谐波为3次和5次为主，而且两者含量均较大，宜选用12%与4.5%~6%两种电抗率混装方式的串联电抗器，以保证抑制3次谐波放大为前提。该方案优点比全部采用串联12%方案可降低无功损耗。
（3）当补偿电容器接入处的背景谐波为3次为主，并含有5次以上谐波，但含量较少，可选用0.1%~1%的电抗器。
（4）当补偿电容器接入处的背景谐波以3次和5次为主，但3次谐波含量较少，而5
次谐波含量已超过或接近标准值，应选用5%~6%的电抗器。
（5）当补偿电容器接入处的背景谐波为5次及以上时，而且5次谐波含量较大，应选用6%的串联电抗器。
特别说明的是，串联电抗器后，毕竟造成电容器输出容量的损失，如采用电抗率5%~6%的电抗器，电容器输出容量即损失6%，故采用电抗率多大的电抗器，应以补偿电容器接入处的背景谐波为准。
3.2 串联电抗器限制合闸涌流的作用
无功补偿电容器在投运合闸瞬间，往往会产生冲击性合闸涌流，这是因为首次合闸的电容器处于未充电状态，流入电容器的电流仅受回路阻抗的限制，因该回路处于接近短路状态，回路阻抗很小，故而在合闸瞬间往往会产生很大的冲击涌流。合闸涌流倍数K=1+√（sd/QC），K值是随合闸点短路容量的增大及电容器组容量的减小而增大，一般为3-10倍。（sd——合闸点系统的短路容量；Qc——电容器组容量。）电容器组回路加装串联电抗器后的合闸涌流倍数为：K=1+√【xc/（xL+xc）】，K值是随母线短路容量的增大，或电抗器占电容器容抗的百分数的增大而大幅度减小。故而在电容回路串联合适电抗率的电抗器后，将起到限制合闸涌流的效果。
结束语
本文对电力系统谐波和无功补偿装置两者之间的关系，以及并联电容器组串联电抗器电抗器的选择进行了较为详细的分析，对工程实践有一定的指导意义，也请同仁提出意见和建议。
