选择串联谐振电抗器方法

产品简介

随着电力电子技术的广泛应用与发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，如低压小容量家用电器和高压大容量的工业用交、 直流变换装置， 特别是静止变流器的采用， 由于它是以开关方式工作的，会引起电网电流、电压波形发生畸变，从而引起电网的谐波“污染”。 产生电网谐波“污染”的另一个重要原因是电网接有冲击性、波动性负荷， 如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等，它们在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且会使电压波动、闪变、三相不平衡日趋严重。这不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重削弱和干扰电网的经济运行，形成了对电网的“公害”。

电能质量的综合治理应遵循谁污染谁治理，多层治理、分级协调的原则。在地区的配电和变电系统中，选择主要电能质量污染源和对电能质量敏感的负荷中心设立电能质量控制枢纽点，在这些点进行在线电能质量监测、采取相应的电能质量改善措施显得格外重要。在并联电容器装置接入母线处的谐波“污染”暂未得到根本整治之前，如果不采取必要的措施，将会产生一定的谐波放大。在并联电容器的回路中串联电抗器是非常有效 [1] 和可行的方法。串联电抗器的主要作用是抑制高次谐波和限制合闸涌流，防止谐波对电容器造成危害，避免电容器装置的接入对电网谐波的过度放大和谐振发生。但是串联电抗器绝不能与电容器组任意组合，更不能不考虑电容器组接入母线处的谐波背景。 

文章着重就串联电抗器抑制谐波的作用展开分析，并提出电抗率的选择方法。

2 电抗器选择不当的后果

2.1 基本情况介绍  

其中3次谐波的畸变率达到3.77%，超过公用电[2]网谐波电压（相电压）3.2%的限值。经过仔细了解和分析，发现该 110kV 变电所的 10kV 系统存在大量的非线性负载。 即使在电容器组不投入运行的情况下，10kV母线的电压总畸变率也高达4.01%，其中3次谐波的畸变率高达 3.48%。在如此谐波背景下，2400kvar 电容器组配置电抗率为 6% 的串联电抗器是否适合？现计算分析如下。 

 2.2 电抗率的选择分析  

（1）电容器装置侧有谐波源时的电路模型及参数  

串联谐振原理

在回路频率f=1/2π√LC时，回路产生谐振，此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压的Q倍。Q为系统品质因素，即电压谐振倍数，一般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输出频率使回路发生串联谐振，再在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。由于回路的谐振，变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。

谐振电抗器是运用串联谐振的原理，通过调节变频控制器的输出频率，使得回路中的电抗器的电感L和试品电容C发生串联谐振，谐振电压即为试品上所加电压。

串联谐振电抗器特点

1、大屏幕显示试验数据、试验状态并有实时操作步骤指示作用。

2、能灵活整定试验电压、调频范围、加压时间。

3、试验结果能计算出被试品电容值并可打印。

4、体积小、重量轻、操作方便。

5、分辨率高、频率分辨率为0.01Hz，电压分辨率为0.01V。

6、安全可靠性高，系统具有过电压、过电流及放电保护作用，确保人身及设备安全。

7、可升级操作软件。

串联谐振电抗器原理

电抗器L和被试品电容C组成的串联谐振都有一个固定的谐振频率F=1/（2π√L・C）当试验频率等于这个频率时，该电路发生谐振。

通过这个原理，由调频电源提供电源送给励磁变压器，经过励磁变压器变压成中压加上L和被试品电容C上。通过改变调频电源输出频率，使回路处于串联谐振状态，再调节调频电源输出电压，使试品上电压达到所需要的电压值。

串联谐振电抗器参数

1、环境温度：-10——45℃

2、工作湿度：≤90%

3、海拔：≤2000M

4、电源输入：220V±l0%单相 输出0——220V（≤10KW）

5、额定试验容量：0——8000KVA

6、谐振电压：0——1000KV

7、频率调节范围：0.1——300Hz

在同一条母线上有非线性负荷形成的谐波电流源时（略去电阻），并联电容器装置 [3] 的简化模型如图 1 所示 。谐波电流和并联谐波阻抗为 式中 n 为谐波次数；为谐波源的第 n 次谐波电流；XS 为系统等值基波短路电抗；XC 为电容器组基波容抗；XL 为串联电抗器基波电抗。由于谐波源为电流源，谐波电压放大率与谐波电流放大率相等，故由式⑴整理 推导可得谐波电压放大率 n当式(2)谐波阻抗的分子的数值等于零时，即从谐波源看入的阻抗为零，表示电容器装置与电网在第 n 次谐波发生串联谐振，可得电容支路的串联谐振点当式(2)谐波阻抗的分母的数值等于零时，即从谐波源看入的阻抗为∞，表示电容 [4] 器装置与电网在第 n 次谐波发生并联谐振，并可推导出电容器装置的谐振容量 QCX 为 系统及元件的参数如表 1 所示。

（2）避免谐振分析  

计算电抗率选择 6%时，发生 3 次、5 次谐波谐振的电容器容量，将有关参数代入式 (5)，得 3 次、5 次谐波谐振 电容器容量分别为 由此可见， 2400 kvar 的电容器组配置电抗率为 6%的串联电抗器不会发生 3 次、5次谐波并联谐振或接近于谐振。 

（3）限制涌流分析 

在电阻、电感及电容所组成的串联电路内，当容抗XC与感抗XL相等时，即XC=XL，电路中的电压U与电流I的相位相同，电路呈现纯电阻性，这种现象叫串联谐振。当电路发生串联谐振时电路的阻抗Z=√R^2 +(XC-XL)^2=R，电路中总阻抗最小，电流将达到最大值。

串联谐振分为调频式和调感式。一般是由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。被试品的电容与电抗器构成串联谐振连接方式；分压器并联在被试品上，用于测量被试品上的谐振电压，并作过压保护信号。

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