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电容器与电网谐波的影响
添加时间: 2016-9-7 点击次数:


一、电网谐波源现状

当今电网谐波污染日趋严重,电容器与电网谐波的相互影响,发生谐波谐振和谐波放大,造成电容器和电气设备的损坏。

随着现代工业的发展,换流设备和电弧炉、不对称负荷等非线性用电设备在直流输电、冶金、化工和电气化铁路等领域得到广泛应用,这些负荷产生大量谐波注入电网,造成电压波形畸变,电能质量下降。

非线性负荷(谐波源)呈上升趋势的主要原因是:

1、大功率可控硅技术的发展,使换流技术在化工、冶金及制造业、直流输电等领域得到广泛应用;

2、随着冶金行业的工业化、规模化的要求,许多超大功率的冲击性负荷被大量采用;

3、电气化铁路等不对称负荷建设规模逐年扩大;

4、大多数节能产品的推广;

5、民用建筑中的空调、风机、水泵等变频调速装置以及许多家用电器和低压用电设备也是谐波源。

二、电容器谐波谐振及谐波放大

在电力系统中,无论是公用还是用户,安装并联电容器都是在提高电压和经济运行水平的极为重要的无功补偿手段。无功补偿电容器主要用于补偿基波无功功率,对于工频、系统的感抗比容抗小很多,因而不会发生谐振,但当系统中含有谐波分量时,系统阻抗发生变化,在一定参数配合下,就可能发生谐振,谐振原理如下图所示:

图中,为谐波源产生的谐波电流;为变压器线路侧的电感及流入该侧的谐波电流;为电容器串联电感和电容以及流入电容器的谐波电流;L、为线性负荷电感及流入的谐波电流。为了简化计算,假定:线性负荷电感L对高频感抗为无限大,即无谐波电流流入,为此,可计算出流入电容及变压器的谐波电流(为谐波次数的频率)

         

        

当上两式的分母时,即感抗等于容抗,此时发生谐振。母线的谐波电压将很高,流入电容器组的谐波电流也很大。谐振引起的过电压和过电流将增大损耗,损坏设备,危害极大。

流入变压器和流入电容器的谐波电流的分配,将因谐波次数的不同而不同,可能出现,此时称为系统谐波电流放大,也可能出现,此时称为电容器谐波电流放大;当同时发生时,称作谐波电流严重放大。当发生谐波振时,谐波电流放大达到最大值。

三、谐波对电容的危害  

       当谐波作用于电容器时,将造成电容器的 谐波过电流、过电压和过负荷,引发电容器局部放电强度增大、绝缘老化、温度升高而过热,缩短电容器寿命和极板的机械谐波,导致电容器损坏。

1、绝缘效应

  电容器的绝缘介质材料一般是有机绝缘材料,其老化的一般规律是电容器工作电压的介质材料指数次方与介质工作寿命的乘积为常数。电压每升高10%,电容器的寿命大约缩短1/2。谐波造成电容器的过电压和引起局部放电强度加大,都加速了绝缘介质的老化,缩短了电容器寿命。同时,电容器的过电压会导致电晕,绝缘性能衰退,甚至击穿。

2、热效应

在电压恒定情况下,对于有机介质电容器一般认为温度每升高8度,寿命就要缩短  1/2。当电容器在含有谐波的电源中运行时,因谐波过电压、过电流和过负荷而使其损耗功率大幅度增加。可见电网谐波往往造成电容器异常发热,严重影响电容器寿命。

3、机械效应

   在安装架上的电容器,其外壳与接线在交流电压作用下往往产生共振,有时会发生响声,而电容器内部.的极板在谐波电压作用下会引起极板的机械性振动,谐波电压一旦引起电容器极板的机械谐振,就要影响电容器介质的寿命。

  综上所述,电容器谐波的危害和威胁十分严重,因此,必须严格限制电网谐波的畸变率,以及电容器的过电流和过电压。

四、电容器谐波问题对策

1电容与电网谐波互相影响,解决电容器谐波问题的原则应该是:

.杜绝谐波谐振;

.限制电容器对谐波的放大程度;

.综合考虑电容器和电抗器对谐波的承受能力,超出承受范围时,考虑采用滤波器。

2抑制谐波放大和谐振的方法是多种多样的,采用何种方法应视网络情况、负荷性质等因素确定。在公共电网应主要考虑35次谐波的抑制;在用户站则应针对负荷的特征谐波,如三相乔式整流设备是57次谐波。抑制谐波采取的措施可遵循以下原则:

.当谐波不是十分严重时,应考虑采用偏调谐电容器,其主要目的是抑制谐振,部分滤除谐波和降低造价;

.当谐波较为严重时,应考虑采用调谐滤波器,其目的是滤除谐波,改善电网电压质量,滤波器应滤除80%-90%的谐波;

.当负荷是大功率波动性负荷时,除考虑滤波外,还应考虑无功功率的动态补偿,以克服电压的波动和闪变。随着社会的发展,用电负荷对电网谐波污染的增长趋势是无法改变的。电容器在谐波作用下,将造成谐波谐振和谐波放大,给电网和电容器造成危害。今后,应当加强对谐波的管理,限制注入系统的谐波电流,杜绝电容器的谐波谐振,限制电容器对谐波的放大程度,提高电容器承担过电流、过电压、过负荷的能力。就能不断提高和改善电能质量。

五、公用电网谐波电压和谐波电流的限值

对于不同电压等级的公用电网,允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越高,谐波限制越严。另外,对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。表1给出了公用电网谐波电压限值。

                 表(1)公用电网谐波电压(相电压)限值

电网标称电压

kv

电压总谐波畸变率

%

各次谐波电压含有率(%

奇次

偶次

0.38

5.0

4.0

2.0

6

4.0

3.2

1.6

10

35

3.0

2.4

1.2

66

110

2.0

1.6

0.8

公用电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量(方均根值)不应是表2中规定的允许值。

表(2)注入公共连接点的谐波电流允许值

标准电压kv

基准短路容量(MVA)

谐波次数及谐波电流允许值(A)

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0.38

10

78

62

39

62

26

44

19

21

16

28

13

24

6

100

43

34

21

34

14

24

11

11

8.5

16

7.1

13

10

100

26

20

13

20

8.5

15

6.4

6.8

5.1

9.3

4.3

7.9

35

250

15

12

7.7

12

5.1

8.8

3.8

4.1

3.1

5.6

2.6

4.7

66

500

16

13

8.1

13

5.4

9.3

4.1

4.3

3.3

5.9

2.7

5.0

110

750

12

9.6

6.0

9.6

4.0

6.8

3.0

3.0

2.4

4.3

2.0

3.7

标准电压kV

基准短路

容量MVA

谐波次数及谐波电流允许值/(A)

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24<, /SPAN>

25

0.38

10

11

12

9.7

18

8.6

16

7.8

8.9

7.1

14

6.5

12

6

100

6.1

6.8

5.3

10

4.7

9.0

4.3

4.9

3.9

7.4

3.6

6.8

10

100

3.7

4.1

3.2

6.0

2.8

5.4

2.6

2.9

2.3

4.5

2.1

4.1

35

250

2.2

2.5

1.9

3.6

1.7

3.2

1.5

1.8

1.4

2.7

1.3

2.5

66

500

2.3

2.6

2.0

3.8

1.8

3.4

1.6

1.9

1.5

2.8

1.4

2.6

110

750

1.7

1.9

1.5

2.8

1.3

2.5

1.2

1.4

1.1

2.1

1.0

1.9

当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时,可按式(1)修正表(2)中的谐波电流允许值。

                                 式(1

式中SK1—公共连接点的最小短路容量(MVA;

SK2--基准短路容量(MVA;

Inp—2中第n次谐波电流允许值(A)。

n次谐波电压含有HRUn与第n次谐波电流分量In的关系如下:

             式(2

式中UN电网的标称电压(kV);

    In—n次谐波电流(A;

Zn系统的地n次谐波阻抗( )。

如谐波阻抗Zn未知,HRUnIn(A)的关系可按下式进行近似的工程估算:           

                           式(3

                                式(4

式中  公共连接点的三相短路容量(MVA)。

两个谐波元的同次谐波电流在一条线路上的同一相上叠加,当相位角已知时,总谐波电流In(A)可按下式计算:

               式(5

式中  谐波源1的第n次谐波电流(A);

      谐波源2的第n次谐波电流(A);

       谐波源12的第n次谐波电流之间的相位角。

当两个谐波源的谐波电流间的相位角不确定时,总谐波电流可按下式计算:              

                  式(6

式中,系数Kn可按表3选取

3  式(6)中数Kn的值

n

3

5

7

11

13

9>13,偶次

Kn

1.62

1.28

0.72

0.18

0.08

0

 

两个以上同次谐波电流叠加时,首先将两个谐波电流叠加,然后再与第三个谐波电流叠加,以此类推。两个及以上谐波源在同一节点同一相上引起的同次谐波电压叠加的公式和式(5)(6)类似。

同一公共连接点有多个用户时,每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备之比进行分配。第i个用户的第n次谐波电流允许值(A)按下式计算

                 式(7

式中按式(1)计算的第n次谐波电流允许值(A);

    i个用户的用电协议容量(MVA);

     公共连接点的供电设备容量(MVA);

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