浅谈变电站电容器组串联电抗器的作用
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作者: 田英杰
[摘 要]电力系统中，并联电容器是电网中提供无功电源，平衡感性负载的重要装置。但是电容器的投入会产生合闸涌流，放大高次谐波等问题，给电网和设备带来负面影响，而电容器串联电抗器能够有效解决上述问题。本文对电容器组串联电抗器的分类、特性进行了简要介绍，并详细论述了串联电抗器对投切电容器时限制合闸涌流，抑制高次谐波的原理，给出了详细的参数计算方法。最后，文章对电抗器的安装位置进行了相关论述。
[关键词]电容器 电抗器 谐波
中图分类号：F415 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）16-0051-02
一、前言
电网中的电力负荷如电动机、变压器等，大部分属于感性负荷，在运行过程中需向这些设备提供相应的无功功率。为了减少电网电源向感性负荷提供无功功率，降低线路和变压器因输送无功功率造成的电能损耗，所以需要在电网中安装并联电容器等无功补偿设备提供感性负荷所消耗的无功功率。但是电网在运行时很多电气设备和用电设备在运行时都会产生谐波，只不过一般情况下对电网波形影响不大，不会危及正常的供电和用电，但某些情况则不同，如变压器铁心饱和、电弧炉炼钢、大型整流设备，都会对电网带来严重的谐波干扰，不仅会产生大量的高次谐波，而且会使电压波动、闪变、三相不平衡影响供电质量。另外随着电力电子技术的广泛应用与发展，在供电系统中增加了大量的非线性负载，如低压小容量家用电器和高压大容量的工业用交、直流变换装置，引起电网电流、电压波形发生畸变，从而引起电网的谐波“污染”。这不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，形成了对电网的“公害”，并且严重影响电网无功补偿装置的安全运行。同时并联电容器在合闸过程中形成的合闸涌流也会对电容器产生很大的危害。在并联电容器装置串联电抗器是抑制高次谐波和限制合闸涌流的有效手段，防止谐波及合闸涌流对电容器造成危害，避免电容器装置的接入对电网谐波的过度放大和谐振发生。本文着重就串联电抗器抑制谐波及限制合闸涌流的作用展开分析。
二、电抗器的分类
电气回路的主要组成部分有电阻、电容和电感。电感具有抑制电流变化的作用，通常把具有电感作用的绕线式的静止感应装置称为电抗器。在电网中采用的电抗器，实际上是一个没有导磁材料的空心电感线圈。
按结构及冷却介质电抗器分为：空心式、铁芯式、干式、油浸式等，例如干式空心电抗器、干式铁芯电抗器、油浸铁芯电抗器等。
按接法电抗器分为并联电抗器和串联电抗器。
按用途电抗器分为限流电抗器、滤波电抗器、补偿电抗器等。
三、电抗器的特性
1.铁芯电抗器
优点是损耗小，电磁兼容性较好，体积小。缺点是噪声大、电抗器线性度差、能引起漏磁，局部过热，易发生磁饱和，烧毁线圈。系统过压、过流和谐波的影响，致使铁芯过饱和电抗值急剧下降，抑制谐波的能力下降，抗短路电流能力低。干式铁芯式电抗器除上述缺点外，还不能在室外运行。
2.干式空芯电抗器
干式空心电抗器结构上不用任何铁磁性材料，因此，线性度大大优于铁芯电抗器，具有很强的限制短路电流的能力而且噪音小。但由于没有铁芯，绕组中通过单位电流所产生的磁通较小，所以体积较大，同时损耗也要比铁芯电抗器大。再有空心电抗器附近存在磁导体的话，将使电抗值升高，在正常情况下电抗器的磁通在空气中形成回路，但安装场所屋顶、地面、墙壁、围栏等如有铁钢等磁性材料存在，则会在其中引起发热，因此空心电抗器在安装时对周围物体有一定距离要求，同时为避免相邻两组电抗器相互影响，同样也需要保持一定距离。
四、电容器投入时的涌流
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。因该回路接近短路状态，回路阻抗很小，故而会产生很大冲击涌流。涌流的频率很高，幅值比电容器正常工作电流大几倍到几十倍。电容器的涌流由工频部分和高频部分组成。工频部分就是电容器中流过的稳态电流，高频部分为暂态电流。暂态电流的持续时间很短，根据国内多年运行经验，20倍的涌流对设备不会造成伤害。
在变电站中，为了运行时调节无功功率的方便，将电容器分为几组并联联接。一般各组电容器容量相等，分别经高压断路器联接在母线上。当要求各组电容器全部或部分投入时，应按顺序投入。当投入第一组涌流一般不会造成危害；投入第二组时，已带电的第一组电容器将向第二组电容器充电，产生很大的涌流，比第一组电容器投入时严重得多。同理，在投入第三组及更多组时涌流将更大。如果涌流过大可能造成高压断路器触头熔焊、烧损；涌流产生的电动力可能造成零件损坏，设备绝缘损伤。
五、电抗器对合闸涌流的限制
当在电容器组回路中串联电抗器后，增大了电路的感抗，使电容器的放电电流减小。可以把合闸涌流抑制在1+电抗率倒数的平方根倍以下。根据国内多年运行经验，20倍的涌流对设备不会造成伤害。所以通常要求应将涌流限制在电容器额定电流的20倍以下，为了不发生谐波放大，要求串联电抗器的伏安特性尽量为线性。网络谐波较小时，采用限制涌流的电抗器；电抗在（0.1%-1%）Xc（Xc为电容器容抗）左右即可将涌流限制在额定电流的10倍以下，以减少电抗器的有功损耗。当需要考虑网络谐波问题时，串入电抗为6%的电抗器可将涌流限制在5倍左右。串入电抗为12%的电抗器可将涌流限制在3倍左右。有了串联电抗器，不论是投入单组电容器，或是运行多组，其合闸涌流的危害均不会再成为问题。
六、电网中的谐波及其产生的原因
对于交流电，人们希望的波形是正弦波形，因为这样可以减少铁损并提高效率。但是，电网中存在的除基波电压、电流以外，还因为某些设备和负荷具有非线性特性，从而产生高次谐波分量即为电网谐波。 近年来，由于电力电子技术的迅速发展，非线性用电负荷以及可控硅大量应用，当电力系统中存在某些设备和负荷具有非线性特性时，所加电压与产生的电流不成线性关系，将会造成电力系统的正弦波形畸变，出现高次谐波，即产生谐波电压和电流。如换流设备、调压装置、电气化铁路、电弧炉、家用电器以及各种电子节能控制设备等。这些设备即使供给它理想的正弦波电压，它们采用的电流也是非线性的电流，这些设备产生的谐波电流会注入电力系统，使系统各处电压产生谐波分量，对电力网造成污染。同时，谐波电流在网络的阻抗上产生压降，使正弦电压波形发生畸变；另一方面电力系统内并联电容器的投入往往使母线电压的畸变加剧，甚至可能发生危险的并联谐振。
做为谐波源，非线性设备可划分为：传统非线性设备，包括变压器、旋转电动机以及电弧炉等；现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。
通过对国内多个地区变电站进行谐波测试和分析，证明系统中存在的各次高次谐波分量，以3、5、7次谐波分量较大，而且不少变电站在并联电容器组投入后，母线电压谐波分量显著增加。因此，对电容器投入引起的谐波电压畸变加剧和使电容器过电流问题，应分析它们之间的影响，进而采取有效措施。
七、谐波对电力电容器的危害
为了补偿负荷的无功功率，提高功率因数，常在负荷处装有并联电容器组。在工频频率的情况下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但是对于谐波频率而言，系统的感抗大大增加，而容抗大大减小，就可以产生并联谐振或串联谐振，使谐波电流放大。
由于容抗与电源频率成反比，当高次谐波电压作用于电容器组上时，因高频率谐波使电容器容抗减小，所以通过电容器内的电流增大；换言之，此时，在基波电流的基础上又增添了电流谐波分量，这样波形势必发生畸变，结果使系统阻抗产生谐波过电压叠加于原电压上，造成电压波形畸变放大。同时，通过电容器组的电流还与其电容量有关，容量愈大，容抗愈小，进而使电流更大，故在投入大容量电容器组时，上述畸变过电压更为严重。谐波过电压不仅会使系统电流、电压的波形发生畸变，而且还会造成电容器组的损耗功率增加，导致电容器过负荷、异常发热、介质材料老化、电容值变化、振动及异常噪声，最终导致电容器组被烧毁发生事故。同时影响控制、保护、检测装置的工作精度及工作可靠性。引起过流保护误动作、熔断器熔丝熔断、电容器组无法合闸等事故或障碍。尤其当电容器组距离谐波较近处，所造成的后果更为严重。
八、并联电容器对谐波的放大
并联电容器之所以能够引起谐波放大，在于电容器回路在谐波频率范围内呈现容性。在工频频率情况下，电容器的容抗比系统感抗大得多，不会产生谐振。但是，对于谐波频率而言，系统感抗大大增加，而容抗大大减少。电容器的电抗随着频率的升高而减小，这使得电容器成为谐波的吸收点。装有并联电容器的变电站，当10kV或35kV母线上接有谐波源用户时，电容器和电源电感有可能结合构成并联谐振电路。在谐振情况下，谐波被放大，最终的电压会大大高于电压的额定值并导致电容器损坏或熔丝熔断。
九、电抗器对谐波的抑制作用
并联电容器在一定参数下会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。通过改变电容器组的无功出力可以改变谐振频率。减少电容器容抗，高次谐波不会被放大。要使容抗减小即增大电容器容量。但是，用增加电容器容量的方法是不合理的，最有效的措施是在电容器回路中串联电抗器。当电容器回路呈电感性时，电容器回路和系统阻抗并联分流，可使流入系统的谐波电流减小。当无功补偿电容器组接入电网存在有高次谐波时，电容器组对n次谐波的容抗降为，系统感抗对n次谐波的感抗升高为。在电网存在有n此谐波电流时，如果符合=的条件，则将产生n次谐波的谐振现象。其n次谐波电流与基波电流迭加后，使流过电容器的电流骤增，此时产生的过电流必将危及电容器的自身安全。同时，谐波电流在系统阻抗上产生的谐波电压与电源电压迭加后产生过电压，此过电压也会威胁到电容器的安全运行。
采用并联电容器进行无功补偿构成的电路中，若电容器支路与系统发生并联谐振，此时，谐振点的谐振次数为：
=
式中：----系统等值谐波短路电抗
----电抗器基波电抗
----电容器基波电抗（/=A，A为电抗率）
从上式看出，串入电抗器电感量越大，则谐波次数越低，因而，可通过串入电抗器电感量的大小来控制并联谐振点，从而达到避开谐波源中的各次谐波。由此可见，在补偿电容器回路中串联一定电抗率的电抗器，即能有效地避开谐振点。
在电容器接入处电网存在高次谐波时，当谐波次数大于谐振点的谐波次数时，电容器回路阻抗呈感抗，此时谐波电流全部流入电容器回路中，故而电容器对谐波电流不起放大作用。但在谐波次数小于谐振点的谐波次数时，电容器回路阻抗特性呈容抗，此时串联的电抗器不会起到抑制谐波的作用，反而对谐波电流起到放大作用。为此在电容器回路串联的电抗器不能任意组合，一定要考虑接入处电网的谐波背景，只有根据谐波背景选择合适的电抗率的电抗器，才能起到抑制高次谐波的作用。
当补偿电容器接入处电网含有多种谐波成分，并且含量都较大时，串联电抗器电抗率可按下式确定，此时该电容器支路对于较大含量的各次谐波均不会产生较大作用。
XL=a/n2
式中：a---可靠系数（一般取a=1.2----1.5）
---电容器组基波电抗
n-----具有较大含量的最低谐波次数
十、串联电抗器电抗率的选择
在电容器组与电抗器的串联回路中，串联电抗器的电抗值与电容器组的容抗之比就是改组电容器装置的电抗率。电抗率是串联电抗器的重要参数，电抗率大小直接影响着它的作用。选用电抗率要根据它的作用来确定。 1.当电网中谐波含量甚少，装设串联电抗器的目的仅为了限制电容器追加投入时的涌流，电抗率可选得比较小，一般为0.1%～1%，在计及回路连接电感影响后，可将合闸涌流限制到允许范围。在电抗率选取时可根据回路连线的长短确定靠近上限或下限。
2.当电网中存在的谐波不可忽视时，则应考虑利用串联电抗器抑制谐波。为了确定合理的电抗率，应查明电网中背景谐波含量，以期取得较佳效果。电网中通常存在一个或两个主谐波，且多个为低次谐波。为了达到抑制谐波的目的，电抗率配置应使电容器接入处综合谐波阻抗呈感性。通常电抗率应这样配置：
3.当电网背景谐波为5次及以上时，可配置电抗率4.5～6%。因6%的电抗器有明显的放大3次谐波作用，因此，在抑制5次及以上谐波，同时有要兼顾减小3次谐波的放大，电抗率可选用4.5%
4.当电网背景谐波为3次及以上时，电抗率配置方案有两种：全部配12%电抗率或采用4.5%～6%与12%两种电抗率相结合。采用两种电抗率进行组合的条件是：电容器组数较多，为了节省投资和减少电抗器消耗的容性无功。
十一、电抗器的安装位置
根据《并联电容器装置设计规范》GB50227-1995规定：串联电抗器宜装设于电容器组的中性点侧。当装设于电容器组的电源侧时，应校验动稳定电流和热稳定电流。
串联电抗器无论装在电源侧或中性点侧，从限制合闸涌流和抑制谐波来说都是一样的。但是，串联电抗器装在中性点侧，正常运行串联电抗器承受的对地电压低，可不受短路电流的冲击，对动、热稳定电流没有特殊要求，可减少事故，使运行更加安全，而且可采用普通电抗器产品，价格低廉，经济性强。电抗器装在电源侧时运行条件苛刻，因它承受短路电流的冲击，对地电压也高（相对于中性点），因而对动、热稳定要求高，甚至高强度的加强型电抗器也难于满足运行要求。
十二、结论
电容器合闸涌流可以通过在电容器组上接入串联电抗器进行限制。但是，电力系统中，谐波对并联电容器的运行影响更为突出，高次谐波会导致电容器过电流和过负荷，使电容器发热、绝缘老化，从而缩短电容器的使用寿命；而并联电容器也会引起系统谐波阻抗特性的改变和谐波电流的放大，对电容器本身及其附近的电气设备造成威胁。对谐波的抑制可以在对大容量非线性负荷用户加强管理的同时采取措施降低谐波源谐波含量，也可以通过在电容器回路中串接电抗率合适的电抗器等来限制系统谐波对并联电容器的不利影响。在一个变电所中，可按上述方式配置不同电抗率的串联电抗器。当涉及到一个局部电网的谐波控制时，从技术经济上优化电抗率配置是一个复杂的系统工程，应列项进行专题研究。由于谐波计算没有统一意见，所以国家标准、行业标准中尚无具体规定，为了对谐波放大作粗略计算，可参照目前国内的一些谐波专题研究中推荐的公式，以便对设计作出估计，但最终仍需要在工程投运时进行试验调整，以确保电力系统的安全可靠运行。
参考文献
[1] 高压并联电容器运行及维护技术张利生.张利生.中国电力出版社.2006.
[2] 并联电容器对谐波的放大及解决措施.周元祺.华东电力.2009.（12）.
[3] 电力系统运行实用技术问答.万千云.中国电力出版社.2002.
[4] 并联电容器装置设计规范.GB50227-1995.
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