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并联电容器补偿装置因其容量组合灵活、安装维护简单、投资少而被广泛应用于电力系统中。作为无功电力的主要电源，在电力系统调相调压、稳定运行、提高电能质量、降低损耗和节能方面发挥着重要作用。伴随着电力事业的迅速发展，电容装置的安装投运容量也迅速增加。同时，随着电力电子技术的广泛应用，带整流器的设备，如变频调速装置、UPS电源装置、软启动器、新型节能电光源等产生高次谐波电流的电气设备应用越来越多，给电网带来严重的谐波污染，导致一系列设备问题。例如电机振动、发热、变压器附加损耗、容性电路过电流、干扰通信、电子设备误触发等。因此，必须重视谐波污染。抑制谐波的措施有很多，比如改变变压器的接线方式；安装滤波装置；安装静态(动态)无功补偿装置；在电容电路中安装串联电抗器等。

引文作者:上海盖能电气市场部（专注干式变压器30年）

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目前，我国许多用电单位使用传统的单纯电容器进行无功补偿，其补偿装置的运行受到严重威胁，电力电容器的故障率越来越高。本文主要探讨在电容器上安装串联电抗器，以抑制谐波，避免电容器与电网串联或并联谐振，从而提高系统的功率因数，保证补偿电容器的稳定运行。

一、谐波对补偿系统的影响

无功补偿系统中，电网以感抗为主，电容电路以容抗为主。在工频条件下，并联电容器的容抗远大于系统的感抗。补偿电容器向电网发出无功功率，对电网进行无功补偿，提高了系统的功率因数。系统中有背景谐波。非线性负荷会产生大量谐波电流注入电网，导致电压和电流波形畸变。影响电力电容器的正常运行。

1.1电容器过流

谐波分流原理图如图1所示:

n次谐波下变压器阻抗：

XS(n)=2πf(n)L(1)

n次谐波下电容阻抗：

XC(n)=1/2πf(n)L(2)

当存在高次谐波时，由于f(n)增大，XS(n)增大，XC(n)减少，导致大量谐波电流涌入电容器。假定电容器在满载电流下工作，如果加上谐波电流，电容器的额定电流大于1.3倍，电容器就会出现故障。

1.2与系统并联谐振

当大量非线性负荷挂网运行时，电网会出现严重的电压畸变和电流畸变。此时，谐波源相当于一个大型电流源，其产生的谐波电流加入系统感抗和电容器容抗之间，并联电路如图2所示。

从图中可以看出，谐波电流部分流经XS(n)，部分流经XC(n)，回路阻抗为:

当n为谐波时，电网感抗等于电容器容抗XC(n)，形成并联谐振，并联电路总阻抗等于无限大。当谐波电流流经阻抗无限的电路时。它会产生无限的谐波电压，在电网和电容器之间产生大电流，导致电容器故障。

二、串联电抗器对谐波的抑制

无功补偿电容器电路串联电抗器多用于电气设计，抑制谐波。谐波源从电力系统中吸收的畸变电流可分解为基波分量和谐波分量，与基波分量和供电网阻抗无关，因此谐波可视为恒流源。电力系统简化电路和谐波等效电路如图3、4所示:

图中In为谐波电气设备，XS为系统基波阻抗，XL为串联电抗器基波阻抗，XC为电容器基波阻抗。在n次谐波条件下，谐波阻抗分别为:XS(n)=nXs；XL(n)=nXL；XC(n)=XC/n。

从等效电路阻抗图4可以得到，流入供电系统的谐波电流I为:

        流入并补装置的谐波电流ICn为：

系统谐波阻抗与系统大小运行方式的短路容量有关。从公式(4)、(5)可以看出，关键在于XL和XC的取值，现就典型情况讨论如下(见表1)。

从表1可以看出。为了抑制谐波电流，无功补偿电路串联电抗器必须使电路电抗对谐波源产生的低次谐波电具有电感性，即满足：

n是主要谐波的低次数。从上面的讨论可以看出，对于同一个系统来说，由于k值不同，其运行状态也不同，所以正确选择电抗器的电抗率k值非常重要。

三、电抗率的选择

《并联电容器装置设计规范》GB50227-2017中指出了串联电抗器电抗率的配置标准：用于抑制谐波时，电抗率应根据并联电容器装置与电网相连的背景谐波含量的测量值进行选择。当谐波超过5次时，电抗率应为5.0%；当谐波超过3次时，电抗率应为12.0%，也可采用5.0%和12.0%的混合电抗率。

因此，在选择和补充装置串联电抗器电抗值参数时，首先要研究供电系统中主要谐波次数的范围，然后确定其电抗值的百分比，避开可能的谐波放大区域。

可得式(6)：

ω为基波角速度，ω=2πf=100π

这时。实际调谐频率为:

从公式(7)可以看出，如果系统背景谐波主要是5次谐波，则应串5%或6%电抗器，谐振点为224Hz或204Hz(可避免5次谐波以上250Hz的谐振)；如果背景谐波主要是4次谐波，则应串7%或8%电抗器.谐振点为189Hz或177Hz(可避免4次谐波以上200Hz的谐振)；如果系统背景谐波主要是3次谐波，则应串12%或13%电抗器。谐振点为144Hz或139Hz(可避免谐次以上谐波150Hz的谐振)。

四、串联电抗器后应注意的问题

串联电抗器会带来一些新的问题。如果不注意，也会对电容器的使用造成危害。

4.1选择电容器的额定电压

在选择电容器的额定电压时，应考虑电容器组投入运行后的预期母线运行电压。为使电容器择电容器的额定电压，达到经济安全运行的目的，在分析电容器的预期运行电压时，应考虑以下情况:

(1)并联电容器装置接入电网后电网电压升高；

(2)谐波引起的电网电压升高；

(3)安装电抗器导致电容器端子电压升高；

(4)相间和串联段之间的容差会导致电压分配不均匀，增加部分电容器所承受的电压；

(5)轻负荷导致电网电压升高。

因此，综合考虑后，电容器额定电压的选择按下式确定:

其中UCN是单个电容器的额定电压，USN是接入点系统的电压，S是电容器组每相的串联段数，K是电抗率。以低压400V系统和串联电抗率6%的电抗器为例，计算电容器额定电压Uc=446.8V，即电容器额定电压应考虑450V以上。

4.2选择电容器补偿容量

串联相应的电抗器，确定补偿电容器的额定电压后，安装容量不同于实际输出容量，两者的关系可以按下式计算:

Q1是电容器的输出容量，Q2是电容器的安装容量，U2是电容器的运行电压，U1是电容器的额定电压，K是电抗率。可以看出，如果仅仅提高电容器的额定电压。在实际操作中，如果低于额定电压，就会出现无功容量损失，导致无功补偿不足。因此，在选择补偿电容时，应考虑串联电抗器引起的电容输出容量的变化，并保留部分裕量。

4.3谐波放大

可以通过式(6)得到，如果串联电抗器的电抗率为6%，则补回路抑制谐波的次数为：

        也就是说，6%的串联电抗器抑制谐波超过5次。然而，三次或三次以上谐波电流的放大非常严重，导致电容器组损坏。因此，经过大量的运营和经验数据，国家规定。需要抑制5次以上谐波，避免3次以上谐波放大，电抗率可选为4.5%。此外，为了解决三次谐波放大的问题，一些变电站的电容器组不是每组串联6%电抗器，而是几组串联6%电抗器，另外几组串联12%或13%电抗器。对于某种背景谐波，在选择串联电抗率时，首先要研究供电系统中主要谐波的范围，然后确定其电抗值的百分比，避免并联、串联谐振和谐波放大。

        五、结束语

电容器无功补偿是提高系统功率因数、减少电网无功损耗的重要手段。由于电网有不同程度的谐波，无论何时进行无功补偿，都不能抛开谐波问题，否则不仅会危及电容器的安全，还会危及电网系统的安全。串联电抗器是无功补偿电容器组的重要组成部分。电抗率的选择对并联电容器的运行和系统谐波的抑制有很大影响。因此，在串联电抗器时，必须测试系统谐波，选择正确的电抗率，同时提高电容器的额定电压和安装容量。