梁有伟¹,  庄志鸿²

(1.深圳市水务(集团)有限公司，广东深圳518031； 2.诺企电容器(上海)有限公司，上海200050)

摘 要：针对低压配电系统中纯电容器组无功补偿存在的并联谐振与谐波放大问题，本文选用并 联电容器串联电抗器的改进方案，并给出有关元器件和辅材选型策略。通过某城市污水处理厂无 功补偿改造案例的实施，结果表明，所采取的措施是行之有效的。

关键词：并联电容器；并联谐振；串联电抗器；谐波

0 引言

并联电容器是配电网中重要的无功补偿设备，其具有提高电网功率因数，减少线路损耗,提高电压质量，提升电网设备效率等优点，在配电网中得 到广泛应用。

然而，在工矿企业低压配电系统中，采用纯电容器组进行无功补偿时，时常发生电容器过热、过电压、局部放电等现象，从而降低电容器使用寿命 或使电容器损坏，如爆炸、鼓肚等。甚至有些并联电容器补偿装置因不能消除系统谐波的干扰，出现谐波电流放大、并串联谐振等现象，导致补偿装置无法正常投入运行、系统电能质量不佳、功率因数不达标等问题。

1 纯电容器组补偿面临的风险

电力系统中的主要谐波源为电流源。图1为0.4 kV配电系统简化电路图及其谐波等效电路图。

  

图1  简化电路及其谐波等效电路图

通常系统电阻远小于电抗，为方便分析与计算，忽略系统电阻。图中I_n为n次恒流谐波源；I_sn为注人系统的谐波电流；I_cn为注人并联电容器的谐波电流；x_s为系统等效电抗；nx_s为n次谐波电抗；x_c为并联电容器基波容抗；为x_c/n次谐波容抗，则

 

       由式（1)、（2)可知，当nx_s=x_c/n时，n=x_c/x_s

2 纯电容器组无功补偿装置的改进策略

纯电容器组补偿存在的风险，其改进措施诸多文献进行了研究，如改变用电设备、补偿支路加装无源滤波器、补偿回路加装有源滤波器等。本文从安全经济可靠出发，选用并联电容器支路加电抗器的方案，并给出有关元器件及辅材的选型策略。

2.1 补偿支路串入电抗器

并联电容器串接电抗器后，使补偿支路在高次谐波频率下呈感性，可有效地避开系统谐振次谐波，防止系统发生谐波谐振。设xL为串联电抗器的基波电抗，串联电抗器后谐波等效电路见图2。

  

图2  串接电抗器的谐波等效电路

在某次谐波电流的情况下，补偿支路的阻抗值为nxL-xc/n，变为

 

显然，补偿支路与系统并联谐振发生在nx_s+(nx-x_c/n)=0时，谐振点谐波次数为n=xc/(xs+xL。因此，可通过串人电抗器的电感量的大小控制谐振点位置，尽量避开谐波源中所包含的谐波。

2.2 电抗率选择

电抗率K是串联电抗器的感抗与电容器容抗的比值。选用合适的电抗率，应该首先了解电容器接人处系统存在的背景谐波，这样才能使电容器与之串联的电抗器相匹配。根据相关设计规范及文献的描述，补偿电容器接人处的背景谐波为3次，含量已超过或接近标准时，选用12%的串联电抗器。补偿电容器接人处的背景谐波为3次为主， 并含有5次以上谐波，但含量较少，选用0.1%〜1% 的电抗器。补偿电容器接人处的背景谐波以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，选用5%〜6%的电抗器。补偿电容器接人处的背景谐波为5次及以上时，而且5次谐波含量较大，选用6%的串联电抗器。

2.3 电容器电压与容量的选取

由电路原理可知，电容器输出的无功功率与其端电压的平方成正比，即Q=ωCU²。当运行电压高于电容器的额定电压时，将导致电容器过载；而电容器的额定电压高于运行电压时，将导致无功补偿容量不足。因此，需要合理选择电容器额定电压。—般按式（5）确定电容器的实际电压U_N。

  

式中：U_sys为系统母线运行电压；k为电抗率。

串联电抗器后，电容器实际运行电压升高。

电容器铭牌标识的是额定容量Q_N，而非实际输出容量。电容器实际输出容量Q_out为

  

由式(6)可知，确定单台电容器的容量时，要考虑电容器额定电压U_N、系统运行电压U_sys、电抗率k等因素，确保无功补偿容量经济可靠，满足要求。

一般设计时，系统无功补偿容量按照变压器容量的30%〜50%来设定。在选择时，应遵循减少无功补偿分段数量，加大单段补偿容量的原则。

2.4 投切器件的选择

无功补偿装置投切开关主要有专用接触器、晶闸管开关、复合开关和同步开关等，其特点见表1。

表1  投切器件特点比较表

 

4种投切开关在应用上各有优劣。接触器投切 速度慢，损耗低，投资维护成本低，适用于负荷相对稳定的场合。晶闸管开关结构复杂、损耗大、成本高、可靠性差，能实现过零投切、动作迅速，多用于动态补偿的场合。复合开关使用可控硅加继电器，结构复杂，故障率较高。同步开关安全可靠、节能环保、经济耐用，是交流接触器及复合开关理想的换代产品。因此，选用投切开关应结合负荷工况、投资成本等因素综合考虑。

2.5 其他辅件的选择

电容器允许持续过电流能力为额定电流的1.3倍，允许持续过电压能力为额定电压1.1倍，电容允 许偏差为-5%～+10%。补偿支路熔丝应选择全范 围分断能力的gG型熔断器，交流接触器选择AC-6b负荷类型。 熔断体及交流接触器的容量选择应 以电容器输出电流的1.43倍为基准。主电路母线或导线应满足额定工作电流运行和瞬时故障电流,电容器支路的导线不小于该段额定电流的1.5倍。

3 案例分析

3.1 案例背景

某城市污水处理厂鼓风机房低压配电系统主要负载为风机(含变频器）、回流泵、搅拌器和吊车等，系统见图3。

  

图3  某污水厂低压配电系统图

系统装设有纯电容器组无功补偿装置，单台并联电容器额定电压480V，额定容量30kvar,分为6组，最大补偿容量为180kvar。该无功补偿装置运行6年以来，发生过电容器漏油、鼓肚等现象。在系统负载率为80%的工况下，分别测量电容器补偿未投人和6组电容器全部投人运行时,0.4kV母 线的谐波电流见表2。

分析表2数据可知：

1) 系统以5次谐波电流为主：

2) 纯电容器组补偿投入后，母线电流中7次、11次和13次谐波均被明显放大，谐波电流总畸变率由未投人补偿时的1.24%升高至4.05%。

3) 补偿后系统功率因数为0.74,未能达到0.90以上的考核标准要求。

显然，该无功补偿装置补偿后功率因数仍低于要求值，系统谐波电流也被严重放大。因此，需要 进行优化改造。

表2  母线谐波电流

 

3.2 改造方案与结果

针对上述的情况，并结合前文提出的策略，提出如下的改造方案:

1）补偿支路选用电容器串联电抗器的方法，抑制谐波放大。由于系统谐波电流以5次为主，电抗率选用6%以避免5次以上谐波发生谐振。

2）原补偿总容量无法满足系统的无功需求，需重新配置合理的补偿容量。依据案例背景的描述，通过计算，负荷率为100%时的有功功率为271kW，目标功率因数为0.95时，所需的补偿容量为219kvar。方案选择配置4组电容串联电抗器组，单台电容器的额定电压/容量为480V/80kvar,由式(6)计算得知，单组电容电抗器组的输出无功功率为59kvar, 4组总输出容量为236kvar。

3）配置全范围分断能力的gG型熔丝开关，选用AC-6b负荷类型交流接触器，并合理选择电缆规格等：

4）考虑到在原有配电柜内进行改造，合理布局通风散热通道以延长电容器使用寿命。

改造后，在系统负载率为80%工况下，有3组电容器投人运行，测量结果见表3。

分析表3的数据可知：

1) 谐波电压总畸变率(VTHD)由1.39%降低到 0.85%，谐波电流总畸变率(ITHD)由4.05%降低到 3.54%。

2) 系统功率因数由原未达标的0.74提高至0.97，满足了系统无功需求。

3) 5次谐波电压下降，表示串联6%电抗器起到 抑制5次谐波的效果。

4) 7、11和13次谐波电流的放大得到了有效 抑制。

5) 采用电容器串联电抗器的无功补偿方案，达到了良好的效果，有利于无功补偿装置安全可靠运行。

表3  改造前、后补偿装置投入时系统测试数据

  

4  结语

低压配电系统中，采用纯电容器组进行无功补偿，存在的谐振和谐波电流放大的风险将影响设备正常运行。补偿支路选用合适电抗率的串联电抗器的补偿方案，辅以适当的电容器额定电压、额定容量以及投切开关，将有利于无功补偿装置安全、经济、稳定运行。