無功補(bǔ)償裝置的全電流和全電壓分析

輸配電電網(wǎng)全電流、全電壓分析研究 之三

我們期待的穩(wěn)態(tài)電壓、電流為理想的正弦波【1】,即：

u(t)=Umcosωt           ( 1 )

i(t)=Imcos(ωt+φ)       ( 2 )

但系統(tǒng)中總存在各種非線性負(fù)荷，或者，某些元件因運(yùn)行區(qū)域的改變而呈現(xiàn)不能忽視的非線性;前者最典型的是各種整流元器件，后者如磁性元件運(yùn)行于飽和區(qū)時。于是，系統(tǒng)中將產(chǎn)生高次諧波，即出現(xiàn)頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波電量【1】。也就是說輸配電系統(tǒng)中存在諧波。

上世紀(jì)八十年代以來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型用電設(shè)備越來越多地問世和使用，諧波的影響越來越嚴(yán)重。電力系統(tǒng)受到諧波污染后，輕則影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率，重則損壞設(shè)備以至危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1、無功補(bǔ)償裝置中普遍使用電抗器

為補(bǔ)償無功和濾出諧波，裝設(shè)由電容、電抗器及電阻組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器。

無功補(bǔ)償裝置的主要元件---電容器，必須具備全電流、全電壓技術(shù)。

補(bǔ)償裝置為了抑制合閘涌流必須配置電抗器，在普遍存在諧波的配電環(huán)境中為了抑制諧波，也必須匹配電抗器。電抗器在無功補(bǔ)償裝置中使用，有三種功能：抑制合閘涌流、抑制諧波放大和濾除諧波。三種無功補(bǔ)償裝置使用電抗器的功能不同，電抗器的參數(shù)也不相同。且電抗器的選用與諧波源、系統(tǒng)參數(shù)和補(bǔ)償濾波裝置功能密切相關(guān)。往往同一性能電抗器在不同環(huán)境中使用，效果大不相同。因此正確選用電抗器，是補(bǔ)償濾波裝置質(zhì)量是否優(yōu)良的關(guān)鍵因素之一。

2、補(bǔ)償濾波裝置三要素

在有諧波的環(huán)境，諧波源作為諧波的電源 ，系統(tǒng)和補(bǔ)償濾波裝置對諧波源來講是一個并聯(lián)電路 ：

圖1 補(bǔ)償濾波裝置三要素

任何一套補(bǔ)償(濾波)裝置，其運(yùn)行效果均與諧波源、系統(tǒng)參數(shù)及補(bǔ)償濾波裝置參數(shù)等三要素有關(guān)【1】、【4】。同一套補(bǔ)償濾波裝置，在不同環(huán)境，由于諧波源狀態(tài)可能不一樣，系統(tǒng)參數(shù)也可能不相同，運(yùn)行效果將大不相同。用戶現(xiàn)場的諧波源負(fù)荷的運(yùn)行參數(shù)是動態(tài)變化的，系統(tǒng)參數(shù)也是動態(tài)變化的，因此一套相同的補(bǔ)償濾波裝置在不同的用戶現(xiàn)場，承受的諧波程度不一樣、運(yùn)行效果不可能完全相同。

3、進(jìn)入無功補(bǔ)償(濾波)裝置中的電流和電壓

前面描述中得知：輸配電網(wǎng)絡(luò)中普遍存在諧波，電網(wǎng)中運(yùn)行的電流、電壓都是全電流、全電壓。

常見的是6脈沖諧波源，通常稱為6脈沖換流器。在理想條件下，6脈沖換流器交流側(cè)除基波電流外，只有6k±1次諧波，稱為6脈沖換流器的“特征諧波” 。

6脈沖的電流,A相電流的頻域表達(dá)式【3】、【4】：

iA6 = 2√3/π*Id*(COSωt-1/5*COS(5ω)t+1/7*COS(7ωt)-1/11*COS(11ωt)+1/13*COS(13ωt)-1/17*COS(17ωt)+1/19*COS(19ωt)- ……) ( 3 )

即電網(wǎng)中運(yùn)行的電流除基波電流外，還存在5、7、11、13、17、19……諧波電流。只是不同的輸配電環(huán)境，這些諧波電流含量不同罷了。諧波電流并在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生電壓---諧波電壓。

對諧波而言：諧波源是諧波的電源，系統(tǒng)和無功補(bǔ)償裝置是并聯(lián)電路。

諧波源發(fā)生的5、7、11、13、17、19……諧波電流，經(jīng)過系統(tǒng)和無功補(bǔ)償裝置參數(shù)并聯(lián)計算，在系統(tǒng)和無功補(bǔ)償裝置中都存在5、7、11、13、17、19……諧波電流【4】;并在系統(tǒng)和無功補(bǔ)償裝置的阻抗上產(chǎn)生諧波電壓。因此進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中除基波電流、基波電壓外，還有諧波電流、諧波電壓。就是說：進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中的是全電流、全電壓。

4、無功補(bǔ)償裝置中電抗器的全電流、全電壓

進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中的是全電流、全電壓。無功補(bǔ)償裝置中的全電流流過電容器和電抗器(兩者是串聯(lián))。無功補(bǔ)償裝置中的全電流，包括基波電流和諧波電流，以6脈沖諧波源為例，進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中的諧波電流有：5、7、11、13、17、19……諧波電流。這些諧波電流在電抗器感抗上產(chǎn)生諧波電壓：

UnL = Ifn×XL = Ifn×2×π×f× L          ( 4 )

L= XL÷(2×π×f)                ( 5 )

無功補(bǔ)償裝置中電抗器的端子電壓為全電壓：

UL = (U1L2 + UnL2 )0.5    ( 6 )

5、無功補(bǔ)償裝置中電抗器的諧波電壓及影響因素

進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中電抗器的諧波電壓：

UL = Ifn×2πf L              ( 7 )

Ifn：進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中的諧波電流，它與諧波源、系統(tǒng)參數(shù)和無功補(bǔ)償裝置參數(shù)有關(guān)。任何一個參數(shù)改變，Ifn也就隨之改變，電抗率越小，越接近主次諧波頻次，進(jìn)入補(bǔ)償裝置的諧波越大。

f ：諧波電流的頻率，頻率越高，相等的Ifn在電抗器上產(chǎn)生的諧波電壓就越高。

L ：電抗器的電感值，電抗器感抗與電容器容抗組成的電抗率越大，電感值越大，相等的Ifn時在電抗器產(chǎn)生的諧波電壓越高。但電抗率越大，其特征諧振頻次n0遠(yuǎn)離主次諧波頻次，進(jìn)入無功補(bǔ)償裝置中的諧波電流變小，具體的影響這要根據(jù)項目具體參數(shù)分析。

當(dāng)進(jìn)入電抗器的基波電壓和諧波電壓的全電壓使鐵芯電抗器鐵芯磁密進(jìn)入飽和區(qū)時，電抗器鐵芯飽和而產(chǎn)生鐵磁諧振，電抗器鐵芯因鐵磁諧振產(chǎn)生諧波電流，而進(jìn)一步放大諧波。嚴(yán)重時，因電抗器鐵芯飽和而產(chǎn)生鐵磁諧振將發(fā)生嚴(yán)重事故。在無功補(bǔ)償裝置的安全事故中，不少都是因為電抗率、電抗器選配不當(dāng)引起諧振放大，乃是鐵磁諧振所致。

在有諧波的電網(wǎng)中，無功補(bǔ)償裝置中自然有諧波電流、諧波電壓，這是不可避免的;若是濾波補(bǔ)償裝置，則是期望諧波電流進(jìn)入濾波補(bǔ)償裝置，減少進(jìn)入系統(tǒng)的諧波電流，以降低諧波電流對系統(tǒng)中電氣元件的危害。關(guān)鍵是諧波電流不能造成危害，無功補(bǔ)償裝置如電抗器等能夠承受進(jìn)入的諧波電流、諧波電壓，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)前的無功補(bǔ)償裝置，由于無功補(bǔ)償裝置設(shè)置時：對電網(wǎng)和無功補(bǔ)償裝置中全電流、全電壓缺乏清晰認(rèn)識，沒有進(jìn)行系統(tǒng)分析和安全校核，無功補(bǔ)償裝置中關(guān)鍵元件電容器、電抗器等參數(shù)匹配不當(dāng)，引起系統(tǒng)諧波放大，或者引起電抗器鐵芯飽和出現(xiàn)鐵磁諧振所致。

如：

5.1、重慶XXX鋼鐵企業(yè)，6KV補(bǔ)償裝置：電容器安裝容量2700Kvar，分600、900、1200Kvar三組。其中600Kvar組，電抗率4.5%，選擇電容器BFM 6.6/√3-200-1W。無功補(bǔ)償裝置生產(chǎn)企業(yè)向電抗器廠訂貨，提出訂購6KV電容器補(bǔ)償裝的電抗器：電容器三相容量600Kvar，每相200Kvar，電抗率 4.5% 的三相鐡心電抗器。

該電抗器廠產(chǎn)品銘牌：

該套補(bǔ)償裝置投運(yùn)后發(fā)生鐵磁諧振電容器、電抗器都損壞：

經(jīng)檢查分析，發(fā)現(xiàn)是補(bǔ)償裝置和電抗器生產(chǎn)企業(yè)對電抗器電抗率的理解錯誤造成：

6KV補(bǔ)償裝置2700Kvar:第一組600Kvar、2組900Kvar,3組1200Kvar;

電抗率4.5%，電抗器容量分別為：27、40、54Kvar;

電容器BFM6.6/√3-200-1W, 實際電容值：47.8μF;

第一組600Kvar電容器配置的電抗器名牌參數(shù)為：

電抗器實際按6KV電壓的4.5 % 容量比的參數(shù)。

電容器實際電容值的容抗為 67.3 Ω ，電抗器感抗2.7Ω，實際電抗率0.040，特征諧振頻次 4.99 次，很容易發(fā)生諧振放大。此套補(bǔ)償裝置就是由于這個原因，發(fā)生諧振放大，發(fā)生電容器爆炸，后值班電工根本就不敢再使用補(bǔ)償裝置。

5.2、一個不銹鋼的鋼鐵企業(yè)2012年9月5日10KV母線凌晨2:38分事故：

造成10 KV相電壓由6010 V瞬時降落至3451 V;

10 KV隔離開關(guān)6個電纜頭瞬時熔斷5個，隔離開關(guān)C相熔斷，補(bǔ)償室的門炸飛被事故氣浪沖掉打在門外距離13 m左右的圍墻上：

220KV站9月5日10KV母線凌晨2:38分事故波形圖

現(xiàn)場事故照片：

經(jīng)查：設(shè)計院選設(shè)計時，誤認(rèn)為負(fù)荷全部為一般異步電機(jī)，選用 5%電抗率的鐵心電抗器;而實際該項目為220/35/10為三圈變壓器，本套10KV FC+MCR補(bǔ)償裝置;現(xiàn)場10KV有一定量的變頻電機(jī)，35KV主要負(fù)荷是中頻爐、電弧爐等諧波源;實際運(yùn)行時，10KV諧波嚴(yán)重所致。

6、無功補(bǔ)償裝置中電抗器全電壓的設(shè)計方法

無功補(bǔ)償裝置中電抗器全電壓的設(shè)計，首先對無功補(bǔ)償(濾波)項目系統(tǒng)分析、濾波計算，用計算機(jī)仿真進(jìn)行無功補(bǔ)償(濾波)裝置投運(yùn)后負(fù)荷和功率因數(shù)變化、并聯(lián)諧振安全校核、補(bǔ)償(濾波)通道安全校核—電抗器全電壓的安全校核。以此安全校核得出的全電壓，為電抗器端電壓的設(shè)計電壓。

如某用戶一臺315KVA變壓器帶了中頻爐等諧波源，負(fù)荷率85%，自然功率因數(shù)0.8，要求安裝一套補(bǔ)償裝置，月均功率因數(shù)達(dá)到0.95。

補(bǔ)償裝置方案主要參數(shù)：

315KVA變壓器負(fù)荷率85%，自然功率因數(shù)0.8，要求月均功率因數(shù)達(dá)到0.95，需要有效補(bǔ)償容量90.3Kvar。比較好的補(bǔ)償濾波裝置生產(chǎn)企業(yè)，能夠選用下列方案：

表1 補(bǔ)償濾波裝置容量

這套補(bǔ)償濾波裝置的主要參數(shù)：

表2 補(bǔ)償濾波裝置主要參數(shù)

電抗器的設(shè)計，按國家標(biāo)準(zhǔn)電抗器應(yīng)能在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下連續(xù)運(yùn)行。補(bǔ)償濾波裝置設(shè)4組，每組容量32Kvar，基波電流 34.13 A，感抗0.432Ω。則電抗器的端子電壓為

UL = 34.13×1.35×0.432 = 19.9 V

電抗器傳統(tǒng)設(shè)計方法：選用“Q151-35” ，線性段最高磁密為 1.6 T，則電抗器設(shè)計時磁密取“ 1.55 T”，認(rèn)為還留有一定裕度。這樣的電抗器設(shè)計方案，是完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)的，也算是“很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?。這樣電容器、電抗器配置的補(bǔ)償濾波裝置，在一般環(huán)境中能夠正常運(yùn)行。這也是現(xiàn)行嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)要求生產(chǎn)的電抗器，多數(shù)能夠正常運(yùn)行，沒有出現(xiàn)過多的質(zhì)量事故的原因。但若電抗率低，如取電抗率4.5%--5%。或電抗器不能保證在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下連續(xù)運(yùn)行，則在諧波較重環(huán)境很難確保補(bǔ)償濾波裝置能夠正常運(yùn)行。

該項目諧波嚴(yán)重，濾波計算結(jié)果，進(jìn)入補(bǔ)償濾波通道的諧波電流：

表3進(jìn)入補(bǔ)償濾波通道的諧波電流

在電抗器端子上的諧波電壓和基波電壓：

表4 電抗器端子電壓

從上述計算分析得知，電抗器端子電壓中諧波電壓 比基波電壓還高，全電壓與基波電壓的比值系數(shù)為 1.73 。電抗器廠設(shè)計、生產(chǎn)和檢驗都只能按電抗器端子基波電壓進(jìn)行，也就是按基波電壓“14.74 V”進(jìn)行。這樣的電抗器，在這個項目中運(yùn)行，電抗器端子全電壓 25.45 V時，全電壓設(shè)計方法：鐵芯磁密取值為“線性段最高磁密(不飽和磁密)÷1.73 ”。該項目電抗器鐵芯采用的 “DQ151-35”硅鋼片，線性段最高磁密為 1.6 T，1.6÷1.73=0.925，則電抗器基波電壓設(shè)計時磁密取“ 0.92 T”。

按此設(shè)計、生產(chǎn)的電抗器，在該項目諧波嚴(yán)重中運(yùn)行，電抗器端子全電壓達(dá) 25.45 V時，電抗器鐵芯沒有飽和，電抗器正常運(yùn)行。實測電抗器端子電壓在18—25V間運(yùn)行(這是因諧波動態(tài)變化的原因)，補(bǔ)償濾波裝置正常運(yùn)行。該補(bǔ)償濾波裝置長期運(yùn)行沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題。這是因為電抗器端子的基波電壓磁密低，諧波嚴(yán)重時電抗器端子最高全電壓磁密，也只在線性段最高磁密處，沒有飽和。電抗器運(yùn)行鐵芯磁密的運(yùn)行區(qū)間磁化曲線如下圖：

圖2 全電壓設(shè)計電抗器運(yùn)行鐵芯磁密的運(yùn)行區(qū)間磁化曲線

傳統(tǒng)電抗器廠設(shè)計、生產(chǎn)的電抗器，在該項目諧波嚴(yán)重的環(huán)境中運(yùn)行，電抗器運(yùn)行鐵芯磁密：基波電壓磁密 1.15T(11500 G)，最高全電壓磁密 2 T(20000 G)的運(yùn)行區(qū)間，磁化曲線如下圖：

圖3 傳統(tǒng)的電抗器運(yùn)行鐵芯磁密的運(yùn)行區(qū)間磁化曲線

該電抗器鐵芯的飽和最高磁密都達(dá)不到2 T，因此傳統(tǒng)電抗器在諧波嚴(yán)重環(huán)境中運(yùn)行，鐵芯會飽和，補(bǔ)償裝置壽命短甚至?xí)蜩F磁諧振造成安全事故。

7、正確掌握無功補(bǔ)償(濾波)裝置中電抗器全電流、全電壓的意義

前面闡述中理論和實踐都證實無功補(bǔ)償裝置中電抗器是全電流和全電壓;濾波補(bǔ)償方案必須充分應(yīng)用全電流、全電壓技術(shù)， 計算相關(guān)參數(shù)，選用元件，確定安全距離和安全校核裕度;而目前無功補(bǔ)償裝置配置不當(dāng)造成的事故中 大部分就是由于對無功補(bǔ)償裝置中電抗器的全電流、全電壓缺乏清晰的認(rèn)識所致。雖然現(xiàn)在出現(xiàn)了SVG無功發(fā)生器、APF有源濾波裝置等新補(bǔ)償濾波產(chǎn)品，但這些產(chǎn)品不可能全部取代傳統(tǒng)的(電容器+電抗器)無功補(bǔ)償裝置。可能FC((電容器+電抗器)無功補(bǔ)償裝置)+SVG無功發(fā)生器，將有可能在提高電能質(zhì)量產(chǎn)品中具有較強(qiáng)優(yōu)勢。因此，清晰、準(zhǔn)確認(rèn)識無功補(bǔ)償裝置中電抗器的全電流和全電壓，對充分發(fā)揮無功補(bǔ)償裝置功能、確保無功補(bǔ)償裝置安全、穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。要做到這一點，首先必須是無功補(bǔ)償裝置有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、《手冊》對無功補(bǔ)償裝置中電抗器是全電流和全電壓要清晰、準(zhǔn)確的描述及采取相應(yīng)的措施;設(shè)計院要正確選型;無功補(bǔ)償裝置生產(chǎn)企業(yè)對項目系統(tǒng)分析、安全校核，正確的選用元件;電抗器生產(chǎn)企業(yè)以電抗器端子全電壓設(shè)計電抗器，確保全電壓運(yùn)行中鐵芯不飽和。這樣無功補(bǔ)償行業(yè)將會有一次質(zhì)的飛躍。