低压电网谐波治理和无功补偿装置的合理选择
1 低压电网谐波污染的严重性 关键词：谐波； 谐波测量仪， 谐波测试仪，谐波分析仪，电能质量分析仪 谐波数据处理
近三十年来，在被日益广泛应用的各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，逆变器、直流斩波器等所需的直流电源主要来自整流电路，常用的晶闸管相控整流电路或二极管整流电路都是严重的谐波源。计算机、彩色电视、各种办公设备和其他家用电器的普及也会造成谐波污染。上述电气设备的单台容量虽然很小，但数量却极为庞大，其内部大都含有开关电源，各类开关电源、变频器的用量越来越多，加上荧光灯产生的谐波，使电源的谐波污染日益突出，谐波电压和谐波电流引起电源波形的严重畸变，影响到对电力用户的供电质量。在低压电容器无功补偿装置上还可能由于谐波的放大，产生并联电容器的损坏或谐振事故，因此对低压电网的谐波治理和无功补偿装置的改进是当前电力系统中亟待解决的重要课题。
2 低压电网中谐波分量的限值
为了限制谐波源注入电网后产生不良影响，必须把电压和电流的谐波分量控制在允许的范围内，使连接在电网中的电气设备免受谐波的干扰。GB/T14549—1993《电能质量公用电网 谐波》对注入低压电网中谐波电流允许值和谐波电压限值的规定分别见表1和表2。
表1 低压电网谐波电流允许值（均方根值）
（基准短路容量10MVA）
|
谐波次数/次
谐波电流允许值/A |
2
78 |
3
62 |
4
39 |
5
62 |
6
26 |
7
44 |
8
19 |
9
21 |
|
谐波次数/次
谐波电流允许值/A |
10
16 |
11
28 |
12
13 |
13
24 |
14
11 |
15
12 |
16
9.7 |
17
18 |
|
谐波次数.次
谐波电流允许值.A |
18
8.6 |
19
16 |
20
7.8 |
21
8.9 |
22
7.1 |
23
14 |
24
6.5 |
25
12 |
表2低压公用电网的谐波电压（相电压）限值
|
标称电压.kV |
总谐波畸变率.% |
各次谐波含有率.% |
|
奇 次 |
偶 次 |
|
0.38 |
5.0 |
4.0 |
2.0 |
对公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量10MVA时，可按公式（1）修正表1中的数值。In=IkpSk1/Sk2
式中，Sk1为公共连接点处的最小短路容量，MVA;S k2 为基准短路容量，MVA;Ikp为表1中第n次谐波电流允许值，A;In为短路容量为Sk1时的第n次谐波允许值，A。
应该指出:对于不同电压等级电网的电压总谐波畸变率的限值不同，电压等级越高，谐波限制越严。例如6～10kV、35～66kV及110kV电网，其电压总谐波畸变率分别规定为4.0、3.0和2.0;另外对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。
3 电容回路的谐波放大和谐振
无功补偿装置和滤波装置主要由并联电容器及电抗器组成。在工频条件下，电容器的电抗值比系统的电感电抗值要大得多，不会发生谐振。但由于容抗XC=1/ωC，感抗XL=ωL，高次谐波条件下由于XL的增加和XC的减小，就可能发生并联谐振或串联谐振。这种谐振往往会使谐波电流放大到几倍甚至数十倍，会对电网及并联电容器和与之串联的电抗器产生很大的威胁，并可能使电容器和电抗器烧毁。根据有关资料报道，由于谐波而损坏的电气设备事故中，电容器事故约占40%，电抗器事故约占30%。电子式电能表占60%，下面将介绍由于谐波及谐波 放大引起的事故实例，以供参考。
4 由于谐波放大造成电容器损坏
某机关楼内部分无功补偿的低压电容器因过热而损坏，而这些电容器组接于向不间断电源（UPS）供电的回路上，见图1。当投入1组或2组50kvar电容器时，实测得谐波电流值及电压畸变率的数值见表3。
表3 谐波电流实测值及电压畸变率
|
谐波次数/次 |
供电电流/A |
电容器组电流/A |
|
投入并联电容器容量/kvar |
|
0 |
50 |
100 |
50 |
100 |
|
1 |
600 |
538 |
512 |
70 |
142 |
|
5 |
10 |
8 |
11 |
4 |
11 |
|
7 |
4 |
5 |
9 |
2 |
4 |
|
11 |
30 |
62 |
283 |
36 |
327 |
|
13 |
6 |
9 |
44 |
16 |
69 |
|
17 |
2 |
8 |
2 |
9 |
3 |
|
电容器均方根电流/ A
电压畸变率/% |
3.8
|
5.9
|
19.6
|
83 |
364 |
注:供电电流由测量点1处测得，电容器组电流由测量点2处测得。
从表3中可知，当投 入100kvar电容器组时出现严重的并联谐振，将由UPS产生的30A、11次谐波电流放大近10倍达 到283A，电压畸变率达到19.6%;由测量点2处测得:当投入电容器两组共100kvar时，电容器组的电流有效值高达364A，相当于100kvar电容器额定电流值的2.5倍，这足以充分说明引起电 容器过热损坏的原因。
解决的措施:将每组50kvar电容器串联7%的电抗器。其加装7%串联电抗器后的实测值见表4。从表4中可看出:11次谐波放大和电容器的严重过载问题都得到了满意的解决，表4还给出了在最大非线性负载条件下测得的数据。测量结果表明谐波电流均在允许值之内，无放大现象，无功补偿和抑制谐波的效果均满意。
表4 每组电容器加装7%串联电抗器后的实测值
| 谐波次数/次 |
供电电流/A |
电容器组电流/A |
|
投入并联电容器容量/kvar |
|
0 |
50 |
100 |
50 |
100 |
150 |
|
1 |
773 |
735 |
691 |
75 |
151 |
227 |
|
5 |
13 |
17 |
20 |
10 |
10 |
13 |
|
7 |
7 |
6 |
5 |
1 |
1 |
1 |
|
11 |
45 |
42 |
40 |
3 |
6 |
8 |
|
13 |
16 |
15 |
14 |
1 |
2 |
3 |
|
电容器均方根电流/ A
电压畸变率/% |
6.4
|
6.0
|
5.7
|
75.2 |
151.5 |
227.8 |
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应用
-
设置和检修变频电动机以及 UPS 系统 – 通过测量主要电能质量参数来检验是否正常工作
-
谐波测量 – 发现可能损害或破坏关键设备的谐波问题
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涌入电流捕获 – 当出现令人怀疑的重新启动或令人厌烦的电路跳闸时，检查启动电流
-
负载分析 – 在增加负载之前检验电力系统的容量
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涌入电流：捕获和分析令人讨厌的电流波动（3 秒至 300 秒）
简单易用：用于显示波形和趋势的宽大背光显示屏，方便确认电能测方式仪设置
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