电网谐波对并联电容器组的危害及抑制措施 电容器, 原因, 无功补偿, 电磁干扰, 熔断器

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摘 要：工业、企业用电设备中，由于存在大量的非线性负荷，导致电网电压电流都含有程度不等的谐波分量。并联电容器组在电力系统无功补偿环节起着保证电压质量的重要作用。但实际运行中，电容器经常会出现熔断器发热、绝缘下降、电容值变化等故障。分析其原因，谐波危害占很大的比例。本文通过分析谐波对电容器组的危害原因，提出了采用有源串联滤波器限制谐波的方法。此装置滤波电感小、尺寸小、重量轻、良好的滤波特性和电磁干扰小等优点，未来发展具有广阔前景。
工业、企业用电设备中，由于存在大量的非线性负荷，导致电网中电压电流都含有程度不等的谐波分量。实际运行中，电容器经常会出现熔断器发热、绝缘下降、电容值变化等故障。分析其原因，谐波危害占很大的比例。
1. 谐波对电容器组的危害
A.谐波电流导致电容器发热
当电容器组投入运行时，其端电压主要存在3、5、7次谐波，其有效值如下：
其中 从(1)~(3)公式可以看出,当电网存在谐波时,电流的有效值比电压的有效值增长要快,高次谐波更明显。谐波电流的增长使电容器组的损耗功率增加,而框架式电容器组的介质聚丙烯，其电阻具有负的温度系数，即温度的上升电阻将变小，这又会使电流进一步增大，损耗亦增大，最终导致电容器组异常发热、介质材料老化、电容值变化，甚至发生事故。
B.谐波电压导致介质局放
由于3次、5次、7次谐波的叠加，电网中的电压波形呈尖顶状。在尖顶状电压波的作用下，每个周波的局部放电能量显著增加。而固体介质中的树枝长度，即细沟状的放电通路与每周波最大放电电荷量密切相关。每周波放电电荷量越大，树枝长度越长，越易诱发局部放电。这样，使介质的绝缘下降，缩短了并联电容器组的寿命。
2. 限制电网谐波的方法
A.有源串联滤波器结构及原理
目前电网主要采用并联电容器组串联一定电抗率及容量的电抗器组成串联谐振回路来抑制谐波。串联电抗器不仅可以抑制电网谐波，还可以限制一定程度的合闸涌流。但其也有不足之处：
可能发生串、并联谐振，导致过电压、过电流
损坏电容器和电抗器;由于负荷的可变性，不易实时监控电网谐波，及时抑制;串联电抗器抬高了电容器端电压，而电容器组能承受1.1倍的长期工频过电压;串联电抗器抵消了一部分电容器无功补偿的能力，对提高功率因数是不利的。
上面所述发生串、并联谐振对电网的运行最大，也最严重。针对串联电抗器的不足，文献[4]提出了有源串联电力滤波器在电网中的应用，此装置包括电力变换器、串联的电感和电容、高频纹波过滤器。如图1所示，当电网中含有谐波分量时，电力变换器将补偿电压转换成补偿电流，补偿电流通过串联的电感和电容流入电网以抵消谐波电流成分。电感的作用是过滤电力变换器的开关纹波，电容则是提供稳定的无功功率。高频纹波过滤器由一系列电容和电抗组成，用来进一步过滤电力变换器的开关纹波。
图2是有源串联滤波器的等效电路图，图中两个电压源，一个是电网电压源，另一个是电力变换器电压源。图2可以进一步分成工频等效电路和谐波等效电路，如图3所示 。图3(a)所示为工频等效电路，若电源损耗忽略不计，电力变换器产生的补偿电压仅含有谐波成分。因此，工频下电力变换器的电压源视为短路，由图3(a)可以看出，串联的电感和电容在工频下为容性，这样就提供了稳定的无功补偿。图3(b)为谐波下的等效电路。由于电力变换器的开关频率大于串联电感和电容的谐振频率，所以串联电感和电容呈感性，整体作为电感过滤电力变换器的开关纹波。为了抑制谐波电流，补偿电压可以写为表达式：
其中 为负荷谐波电流， 为串联电感和电容的阻抗。若电力变换器产生补偿电压如表达式(4)，那么这个电压转化成补偿电流，与电网谐波电流方向相反，这样谐波电流就抵消了。
B.电力变换器的控制回路
从图4可以看出，控制回路主要有负荷电流、电网电流、电力变换器输出电流和直流母线电压四种信号，相应地控制过程分为四部分：

图4、电力开关控制过程框图

第一部分为了实现谐波电流和串联阻抗的乘积，即表达式(4)。负荷电流首先通过带阻滤波器I得到谐波电流，然后通过PID控制器就是补偿电压。
第二部分是为了修正第一部分所得补偿电压的误差。电网电流通过带阻滤波器II得到谐波电流，然后通过放大器I得到比例放大的谐波电流。
第三部分是为了避免高频振荡，产生一个和电感电容串联的虚拟电阻。电力变换器输出电流通过带通滤波器得到其工频电流，然后将电力变换器输出电流和其工频电流经过减法器得到电力变换器谐波电流。然后经过放大器II得到比例放大的信号。
第四部分用来校正直流母线电压。直流母线电压通过低通滤波器滤去直流纹波。
C.有源串联滤波器特点
此有源串联滤波器不仅可以补偿无功改善电压质量，还可以及时抑制电网中变化的谐波。相对于
串联一定电抗率及容量的电抗器的方法，具有明显优势。而且此装置的电感小、尺寸小、重量轻、电磁干扰小等优点，未来发展具有广阔前景。
3. 结论
由于电网存在大量的非线性负荷，导致其电压电流都含有程度不等的谐波分量。电容器组在运行中经常会出现熔断器发热、绝缘下降、电容值变化等故障，分析其原因，谐波危害占很大的比例。本文通过分析谐波对电容器组的危害原因，提出了采用有源串联滤波器限制谐波的方法。此装置滤波电感小、尺寸小、重量轻、良好的滤波特性和电磁干扰小等优点具有广阔的发展前景。。该文原载于中国社会科学院文献信息中心主办的《环球市场信息导报》杂志http://www.ems86.com总第445期2012年第08期(2月28 日出版)-----转载须注名来源
参考文献
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[2] 陆 平，康巧萍.并联电容器装置串联电抗器的电抗率及容量选择[J].电力建设，2007.28
[3] 严 璋，朱德恒.高电压与绝缘技术[M].北京：中国电力出版社，2007