抑制谐波串联电抗器的选用情况和TSC动态无功补偿解析
摘要：为进一步搞好设备的配套改造，加强设备管理，实现供电系统的经济运行，减少整个供电系统设备的损耗，获得最佳经济效益的设备运行方式，对抑制谐波串联电抗器的选用进行了较为详细的阐述。本文主要对具体抑制谐波串联电抗器的选用情况和TSC动态无功补偿进行了解析。
关键词：电网 功率因数 节能降耗 科学 谐波治理设备 TSC和TSF动态无功补偿
补偿用并联电容器对谐波电压最为敏感，谐波电压加速电容器老化，缩短使用寿命。谐波电流将使电容器过负荷、出现不允许的温升，特别严重的是当电容器组与系统产生并联谐振时电流急速增加，开关跳闸、熔断器熔断、电容器无法运行。为避免并联谐振的发生，电容器串联电抗器。它的电抗率按背景谐波次数选取。电网的背景谐波为5次及以上时，宜选取4.5% ~ 6%；电网的背景谐波为3次及以上时，宜选取12%
一、 电抗率K值的确定
1. 系统中谐波很少，只是限制合闸涌流时则选K=0.5~1%即可满足要求。它对5次谐波电流放大严重，对3次谐波放大轻微。
2. 系统中谐波不可忽视时，应查明供电系统的背景谐波含量，在合理确定K值。电抗率的配置应使电容器接入处谐波阻抗呈感性。电网背景谐波为5次及以上时，应配置K=4.5~6%。通常5次谐波最大，7次谐波次之，3次较小。国内外通常采用K=4.5~6%。配置K=6%的电抗器抑制5次谐波效果好，但明显的放大3次谐波及谐振点为204Hz，与5次谐波的频率250Hz，裕量大。配置4.5%的电抗器对3次谐波轻微放大，因此在抑制5次及以上谐波，同时又要兼顾减小对3次谐波的放大是适宜的。它的谐振点235Hz与5次谐波间距较小。电网背景谐波为3次及以上时应串联K=12%的电抗器。在电抗器电容器串联回路中,电抗器的感抗XLN与谐波次数虚正比；电容器容抗XCN与谐波次数成反比。为了抑制5次及以上谐波。则要使5次及以上谐波器串联回路的谐振次数小于5次。这样，对于5次及以上谐波，电杭器电容器串联回路呈感性，消除了并联谐振的产生条件；对于基波，电抗器电容器串联回路呈容性，保持无功补偿作用。如电抗器电容器串联回路在n次谐波下谐振，则:
式中XCN/XLN为电抗率的倒数，不同的电抗率对应不同的谐振次数或不同的谐振频率，如表1所示。电抗器的电抗率以取6%为宜，可避免因电抗器、电容器的制造误差或运行中参数变化而造成对5次谐波的谐振。若电容器接入处，电网被污染严重，电抗率要另行计算。
 Hz如：K=4.5%则 ；K=5%则
K=6%则 ；K=7%则
K=12%则
表1 电抗率对应的谐振次数或谐波频率
|
电抗率 |
谐波次数 |
谐波频率Hz |
|
4.5% |
4.71 |
235.5 |
|
5% |
4.47 |
223 |
|
5.5% |
4.26 |
213 |
|
6% |
4.08 |
204 |
电容器串联电抗器后，电容器端电压会升高。为了便于分析。画出电流、电压向量图，如图表示。
图 电抗器的设置、电流、电压向量
以电流I为基准，电抗器上压降ULN超前电流90°，系统电压UXN为两者向量和：UXN=UCN-ULN。如电抗器电抗率为6%，则：
ULN=0.06UCN
UXN=(1-0.06)UCN
UCN=UCN/(1-0.06)=1.064UXN
电容器串联电抗率为6%电抗器后，电容器端电压为电网电压的1.064倍
电容器允许产期运行在1.1倍额定电压下。因此，电容器端电压升高6.4%是可以承受的。如电抗器电抗率为12%，电容器端电压升高13.6%，应当选用额定电压440V电容器。
串联电抗器后回来电流也将增大，电抗率K=6%，电容器端电压为电网电压的1.064倍电流也增加到相同倍数。无功功率补偿容量是增加还是减少？电容器端电压升高无疑会增加无功功率补偿容量。
（1）电容器无功功率补偿容量Q’C
Q’C=（UCN/ UXN）2QC=(1.064UXN/UXN)2
Q’C=1.13QC
（2）电抗器消耗容性无功功率QL
QL=3I2XLN=3(1.064 UXN/UXN)2(0.06 XCN)
=1.0642×0.06×(3U2XN/ XCN)=0.068QC
（3）实际无功功率补偿容量：
Q’C－ QL=(1.13-0.068) QC=1.062 QC
从上式看出，电容器串联电抗器后，无功功率补偿不但没有减少，反而增加6.2%。
二、电抗器的安装位置
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。
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、热稳定要就高，铁心电抗器有铁心饱和之虑。
电抗器装在中性点侧时对电抗器要求相对低，一般不受短路电流的冲击，动、热稳定没有特殊要，就承受的对地电压低。可见它比安装在电源侧缺少了电抗器的抗短路电流冲击的能力。
三、电抗器的结构
电抗器的结构形式主要有空芯和铁芯两种结构。
铁芯结构的电抗器主要优点是：损耗小，电磁兼容性叫好，体积小。缺点是：有噪音并在事故电流较大时铁芯饱和失去了限流能力。当干式铁芯且采用氧树脂铸线圈的电抗器，其动、热稳定性均很好，适合装在柜中。油浸式铁芯电抗器虽然体积大些，但噪音较小，散热较好，安装方便，适用于户外使用。
空芯电抗器的主要优点是：线性度好，具有很强的限制短路电流的能力而且噪音小。缺点是：损耗大，体积大。这种电抗器户内，户外都适合，但不适合装在柜中。在户外安装容易解决防止电磁感应问题。最好采用分相布置“品”字形或“一”字形。这样相间拉开了距离，有利于防止相间短路和缩小事故范围。所以这种布置方式为首选。当场地受到限制不能分相布置时，可采用互相叠装式产品。三相叠装式产品的B相线圈绕线制方向为反方向使支柱绝缘承受压力，因此在安装时一定按生产厂家的规定。
四、TSC动态无功补偿，它采用晶闸管开关（过零触发），投切电力电容组，实现无功补偿。有效改善用电负荷的功率因数，具有显著的节能效果。在TSC系统中采用串联电抗器，可有效地防止谐波放大，有效的吸收大部分谐波电流，新乡逐鹿协力电力设备有限公司是国际上领先进行动态无功补偿和滤波的公司。主要市场遍布国内。2005年以来，已有数百套装置在20于省市各行业中应用。
所有的汽车厂，点焊机负荷变化极为快速，并且引发大量的无功功率，这种负荷经常产生较大的电压波动、电压闪变，导致电焊质量差并影响焊接的生产效率，过电流会损坏电极及被焊接材料、而欠电流也会严重地影响焊接质量。采用新乡逐鹿协力电力设备有限公司动态补偿装置能明显地提高焊接质量及生产效率，稳定电压、消除闪变并能充分地利用现有的设备，减少基本费用开支。
核心部件是控制器。由信号处理器DSP和VLSI电路为基础，在每一个电网周期对所有的数据进行分析1ms内据算出所需无功补偿的技术，所有相的谐波分量同时都被计算出来，发出触发信号确保5~20ms投切电容器组，AR型串7%的电抗器（平衡补偿系统），或14%的电抗器（不平衡补偿系统），以防止电容器组与电网发生5次、3次谐波并联谐振。
汽车工业点焊设备绝大多数是用380V电源，由二相供电（L1—L2、L2—L3或L3—L1）,通常三相负载的平衡问题在工厂供电设计时就已经考虑，把点焊机的供电布局接近平衡，避免因三相不平衡而出现零序电流，所以在这种情况下通常采用三相平衡就可以了。参看欧美几个大汽车公司的有关资料，点焊机的供电不平衡度为20%以下时，对供电网络采用无功功率平衡补偿无大碍，在不平衡度超过20%时，就应该考虑选用不平衡补偿。
新乡逐鹿协力电力设备有限公司的三相不平衡补偿系统，补偿电容器组额定电压为480V，且电容器分为三组，为三角形接法，每组分别连接L1-L2、L2-L3、L3-L1。当点焊机一旦工作，控制器同步进行网络检测分析，分别确定连接L1-L2、L2-L3、L3-L1电源上的点焊机所需的无功功率，并与设定的目标值比较，在小于20ms内投切对应在L1-L2、L2-L3、L3-L1上的不同容量的电容器组，从而及时补偿无功功率。
新乡逐鹿协力电力设备有限公司动态无功补偿的优势，最重要的是补偿响应时间和补偿电容器的接线方式。在国外公开资料中，只有新乡逐鹿协力电力设备有限公司等少数公司能做到5-20ms投切全部电容器组，世界上其他著名厂家只能做到80ms或100ms投切一步电容器组。对于跨接在二相供电上的焊接系统的补偿，最先进、安全的技术是新乡逐鹿协力电力设备有限公司的三角形接法的三相不平衡补偿系统。
参考文献
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河南逐鹿电力设备(集团)公司是专业从事电力变压器、断路器、箱式变电站、高低压无功补偿成套装置、有源无源电力滤波补偿装置、专用谐波治理补偿成套装置等输配电设备和电网电能谐波治理成套装置研发、生产、销售的大型企业。集团由中外合资河南逐鹿变压器有限公司、中外合资新乡逐鹿协力电力设备有限公司、河南逐鹿电器有限公司、新乡中原变压器有限责任公司和新乡逐鹿变压器波纹油箱厂五家控股（独资）企业组成。集团产品畅销20多各省、市、自治区，先后服务于国家重点工程格尔木—拉萨铁路和黄河二桥、深圳地铁等重大项目，并远销东南亚、蒙古国等多个国家和地区。集团坚持长期引进国外技术，聘请多名国外专家到公司工作，与国内清华大学、沈阳变压器研究所等建立了长期的人才培养和技术合作关系，不断壮大自身产品研发实力；建立了省级企业技术中心，拥有一支强大的科研人才队伍，取得了多项国家专利，产品的设计、制造、质量、性能均达到国内先进水平。
新乡逐鹿协力电力设备有限公司是从事高低压输配电设备及其相关产品制造的中外合资企业，公司的主要产品有组合式电力变电站、高低压断路器、高低压开关柜及其相关产品、高低压无功补偿成套装置、有源无源电力滤波补偿装置、专用谐波治理补偿成套装置等输配电设备和电网电能谐波治理成套装置等。公司利用现代化的企业管理方式，建立了从设计、加工、装配到出厂的一整套严格的质量保证体系，并已通过ISO9000质量体系认证和“CCC”强制性产品认证，广泛采用CAD参数化系统对产品进行设计和制造，配置以高等级的净化装配车间、先进的生产加工设备、完善的检测设备和检验手段、一流的员工素质等优质资源，建立了优良的售后服务网络，确保了产品的先进性和可靠性，使企业的综合经济效益排名始终处于较好的名次，各项技术经济指标在河南省均为前列。
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于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。