無源濾波器與并聯電容器的應用
1諧振
諧波與并聯電容器在低壓電網中并存時,怕的就是引發串聯諧振與并聯諧振。
1.1串聯諧振
若諧波來自電源系統,則變壓器的電抗和低壓并聯電容器的電容在一定的參數下配合,就能引發串聯諧振,文獻[1]有數字實例,一臺Uk為6%的1000kVA變壓器,在低壓母線上接有160kVar的并聯電容器,結果引發了11次諧波的諧振,使電容器中的11次諧波電流達17,電容器中的基波電流只有233A,總有效電流Iceff為313A,過載1.35倍,已超過允許值1.30倍。負載母線上11次諧波電壓畸變系數達6.9%,也已超過允許值,而低壓電源(含變壓器阻抗ZT在內)母線上的畸變率只有1.5%。
1.2并聯諧振
若諧波源來自低壓側的非線性負荷,例如變頻器,則變壓器的電抗(加上電源系統的少量電抗)和低壓側的電容可構成并聯諧振,文獻[1]也有數字實例,低壓側接有300kvA的驅動裝置,其它如變壓器和電容器參數同,1.1節串聯諧振中的實例,結果引發11次諧波的并聯諧振,使電容器中11次諧波電流達到212A,已大于電容器中基波的90%,總有效電流達334A,過載1.45倍,也超過允許值1.30倍,其實負載的11次諧波電流才39A,又11次諧波電壓的畸變率已達8.3%,大大超過允許值。
2避免諧振的措施
措施之一為改變網絡元件的電抗電容量值,然而,它的可能性不大,特別當電容器組是自動控制的場合,將有許多諧振條件都要考慮。同時要注意,即使系統參數只是接近諧振頻率也能使電容器組過電流和電壓畸變率超過標準。
常用的方法是與電容器串聯一個電抗器,調諧的諧振頻率低于網絡中產生的低次諧波的頻率,這樣,無論是串聯諧振還是并聯諧振就不會發生。
現代的工業和建筑物電網中*沒有諧波電壓和電流是不可能的,那么是否凡并聯電容器都要串電抗器呢?那也不一定,如果需要串,電抗值取多少呢?下面著重討論1000V以下低壓電網情況。
2.1并聯電容器組(不串電抗器)[1]
當不存在諧振條件即電網的電抗值和并聯電容器的電容值所構成的諧振頻率比較高而負載產生的諧波電流和母線的諧波電壓又很低時,此時,不需要考慮降低諧波值,但是IEC標準[1]并未給出劃分界線的具體數據。筆者認為,諧波次數≥17就可以不考慮,即諧振頻率≥17次諧波。15次諧波是3的整數倍,一般只存在于單相220V的設備中,這樣只考慮到了13次就可以了。什么場合一定要串聯電抗,GB[3]對此問題沒有提及,廠家[4]在樣本中規定的條件為GN/SN<15%,GN為產生諧波設備的現在功率。SN為變壓器視在功率。筆者認為產生諧波的設備類型有幾種,發射諧波電流的大小也不同,還與一些外部條件的變動有關。因此,規定GN/SN<15%似乎并不明確說明什么問題,還不如IEC標準[1]的條件,至少概念上是明確的。
2.2失諧濾波器(detunedfilter)
按照文獻[1]的定義,失諧濾波器是一種濾波器,它的調諧頻率比有相當大(considerable),電壓(電流)副值的低次諧波頻率還要小過10%多。
以5次諧波為例,其頻率為250Hz,小過10%即為225Hz,因此失諧濾波器中的電抗值與電容量之比應大于4%/0.81即>5%。
樣本[4]的失諧濾波器調諧在215Hz上,它是250Hz的85%,符合文獻[1]定義的要求,其相對電抗值為5.5%>5%。
2.3調諧濾波器(tunedfilter)
按照文獻[1]的定義調諧濾波器是一種濾波器,它的調諧頻率偏離于被過濾的頻率不得大于10%。因此對5次諧波而言,它的相對電抗值(或電抗率)X%應為4%<X%<5%。
2.4并聯電容器裝置設計規范的規定[3]
該規范中5.5.2.2規定“用于抑制諧波,當并聯電容器裝置接入電網處的背景諧波為5次及以上時,電抗率宜取“4.5%~6%”。可見文獻[3]并沒有區分失諧濾波器和調諧濾波器。其實,對補償用并聯電容器而言,調諧和失諧濾波器對基波都是容性電抗,都有無功補償能力,只是大小程度不一樣,調諧濾波器的無功補償能力強。調諧或失諧的區分,是對的諧波次數進行濾波而言的。兩者都有濾波器(抑制諧波)的能力,只是調諧濾波器的濾波能力更加強。
對于GB這一條的術語“抑制諧波”似乎應是調諧濾波器,因而電抗率取4.5%~6%,IEC的要求為4%
3以上3種裝置應用中的注意點
并聯電容器、失諧濾波器、調諧濾波器這三種裝置在應用中的注意點如下。
3.1并聯電容器
通常對一臺配電變壓器而言,并聯電容器可以分散多級配置,已經安裝好投入運行后,如果情況變化再來考慮避免諧振的問題,就會非常困難,即使只在一處裝有補償并聯電容器,也不能串聯電抗器就完事,因這將使電容器過流和過電壓。因此在確定選用那種裝置時,不但要分析網絡當前的諧波情況,還要考慮到將來情況的變化。