在國家節能降耗政策的落實中，低壓無功補償是維持電力系統穩定與經濟運行中一個重要的部分，在電力系統出現大量諧波的背景下，具有濾波功能的動態低壓無功補償產品成為了經濟有效的解決方案。文章介紹了低壓動態無功補償及諧波治理的原理并針對性地給出了應用實例。

 

    1 低壓無功補償的現狀

 

    隨著國家節能降耗政策的落實，以及供電部門對功率因數指標的市場化要求，越來越多的用戶已經了解無功功率及無功補償的重要性。可以說，低壓無功補償裝置已經在絕大部分電力配電中進行了應用。目前的低壓無功補償已經從單純的電力電容器補償轉換為帶有濾波功能的無功補償。無功補償的原則是“全面規劃，合理布局，分級補償，就地平衡;集中補償與分散補償相結合，低壓補償為主;調壓與降損相結合，降損為主”。因此，無功補償是國家節能降耗中非常重要的部分。

 

    無功補償的主要意義有：(1)改善電壓質量;(2)降低線損;(3)線路、變壓器的增容;(4)降低企業用電成本等。

 

    國標GB50227中規定了無功補償電容器的設計容量要求為變壓器的10%~30%。考慮到對變壓器本身感性阻抗的補償，對于低壓配電側的集中補償，目前的應用中通常為變壓器容量的20%~40%。例如針對一臺1000kVA容量的10/0.4kV的變壓器，它的配電所需無功容量一般為200~400kvar。

 

    2 諧波對無功補償的影響

 

    在目前的設備運行中，由于電力電子類裝置的大量使用，諧波污染已成為一個嚴重的問題。由于低壓無功補償中電容器本身的阻抗是容性的，隨著諧波頻率的提高，電容器的容抗會隨著頻率有明顯減小，諧波很容易被電容器放大并迭加在電容的補償電流上，這將使流過電容器電流的有效值增加，電容器會由于諧波電流引起附加絕緣介質損耗加大、溫度升高，加快電容器絕緣老化，甚至引起過熱使電容器損壞。同時，諧波電流被放大引發的諧波電壓增大一旦迭加在電容器的電壓上，同樣會使電容器電壓有效值增大，并且電壓峰值也會大大增加，造成電容器發生局部放電不能熄滅，這也是電容器損壞的一個主要原因。

 

    所以，諧波會對無功補償的電容產生很大的影響，現場應用中比較普遍的現象就是由于諧波存在，無功補償電容器經常出現電容膨脹，嚴重時還會出現電容爆炸等情況。

 

    3 動態無功補償及諧波治理

 

    可以通過在低壓電力電容器回路中串聯合理配置的電抗器進行諧波抑制和諧波濾除。

 

    從原理上講，電容器在電路中是呈容性的，但是隨著諧波頻率的變化，電容器的容抗值也是變化的，如果在電路中串入對應的合理配置電抗器，電抗器與電容器會在某一頻率下具有某一個確定的阻抗，因此可以實現在某一頻率下的諧波抑制或者濾除。

 

    LC回路在基波條件下呈現出容性阻抗，從而達到無功補償的目的，因此一般都按千乏(kvar)計;而在某一諧波條件下呈現出對應的較低阻抗，從而達到LC回路的諧波抑制和消除功能(見圖1)。

 

    3.1 電抗率的選擇

 

    在可抑制諧波的無功補償中，電抗率是一個非常重要的指標。電抗率P的定義是：在串聯LC回路中，在基波頻率下感抗與容抗的比值，即■，一般是用百分數表示。

 

    圖2給出了電抗率分別為12.5%，7%以及5.5%情況下電容器配串聯電抗器的阻抗曲線圖。從圖中可以看出，當電抗率為12.5%時，串聯LC回路的零阻抗點出現在頻率141Hz處;當頻率為150Hz(即3次諧波頻率)時，LC串聯回路是呈感性阻抗狀態，不僅不會放大諧波，還能抑制和濾除諧波。

 

    當電抗率為7%和5.5%時，串聯LC回路的零阻抗點分別出現在頻率189Hz和213Hz處，當頻率為150Hz(即3次諧波頻率)時，LC串聯回路是呈容性較低阻抗，因此會對3次諧波有放大作用，但對于5次(250Hz)及7次(350Hz)等諧波是呈感性阻抗的，會對這些諧波有抑制和消除作用。

 

    根據目前電力諧波的主要來源情況，針對性地設計合理配置電抗率的無功補償，基本原則如下：在建筑、醫院等3次諧波較多場合可以選用P=12.5%的電抗系數;工業等5次、7次諧波為主的場合可以選用P=5.5%的電抗系數;電抗率為7%的LC回路是適合于非3次諧波場合的安全補償。

 

    3.2 電容器的降容

 

    雖然電容器的容值是用法拉(F)或者微法(μF)表示，但是在應用中電容器的容量大多是以無功容量千乏(kvar)進行標稱。在可抑制諧波的無功補償中，無功補償的容量是以千乏數進行計算的，但電容器的容量并不能用這個無功容量進行配置，而且考慮到在工作中電容器的耐壓值，因此可抑制諧波的無功補償在應用過程中會出現一個電容器降容的問題。

 

    考慮電網電壓本身的波動以及由于電抗器和電容器串聯后的電壓抬高問題，電抗率為5.5%和7%的LC無功補償電容器的耐壓一般為480V，而電抗率為12.5%的補償回路中電容器的耐壓需達525V。在這樣的情況下，電容器的選擇可以根據工作點的補償電流進行確定。

 

    以額定工作電壓400V，額定補償容量50kvar為例，假設選擇電抗率為7%的LC無功補償，則額定補償電流即為■=72.2A;而在額定補償電流的情況下，電容器的工作點應該在430.1V，以此可以設計出電容器在耐壓為480V的條件下容量為66.8kvar。因此在選型時，需補償50kvar無功容量的電抗率為7%的可抑制諧振的無功補償中的電容器為66.8kVar/480V。

 

    3.3 動態過零投切

 

    在很多實際的無功補償現場，需要準確地過零補償并且具有快速的響應能力。目前的動態過零補償大多是采用兩個晶閘管反并聯方式組成，不過驅動電路方面則各有不同，目前市場的產品大部分是采用光耦進行驅動，但是光耦的響應速度相對較慢而且驅動電流比較有限，因此可以選擇脈沖變壓器對可控硅模塊進行驅動，這樣不僅保證了驅動的過零可靠性，而且可以滿足可控硅的驅動要求，使可控硅模塊實現準確可靠的過零投切，投切響應時間不超過半個周期(10ms)。

 

    4 模塊化的無功補償及諧波治理

 

    江蘇斯菲爾電氣股份有限公司根據目前電力應用中的典型諧波，充分考慮現場應用情況，研制開發了動態的無功補償及諧波治理模塊化產品。

 

    通過合理的結構設計和專業的散熱設計將濾波電抗器和電容器組合成模塊形式(如圖3所示)。模塊主要由濾波電抗器、濾波補償電容器、可控硅投切單元、刀熔開關及熔芯、連接母排、導線、端子等元器件組成。由于模塊已經完成連接與測試，只需放入柜體安裝即可。

 

    模塊采用標準化模塊，可自由按需拼裝，并根據容量具有單路模塊與雙路模塊，適用于多種型式的柜體;采用主母排結構，安全可靠，連接方便;可根據需要進行電抗系數的選擇，選型也非常方便，對內部所有部件已經進行了降容等參數設計，只需選擇額定補償容量即可。

 

    在中國石化西北石油局S9氣站項目中，某一變壓器容量為800kVA的采油機場合，有比較豐富的5次7次諧波(基本不含3次諧波)，同時采油機在運行中功率因數變化是非常大的，因此需要采用動態可控硅投切以實現快速的無功補償，該工程選用了江蘇斯菲爾電氣股份有限公司的LBKT50×2-P5.5/400可控硅動態投切模塊3套，實現了300kvar的動態過零無功補償及諧波治理功能。

 

    5 結束語

 

    本文介紹了低壓動態無功補償及諧波治理的原理及對應的電抗率的選取、電容器的降容問題以及動態過零投切問題，并針對性地給出了應用實例。

 

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