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抑制谐波串联电抗器的选用情况和TSC动态无功补偿解析

  为了进一步提高电网的功率因数,降低整个供电系统设备的损耗,实现供电系统的安全、可靠、经济的最佳运行方式,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。
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:
  http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211328394.gif   http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211328432.gif
  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。
  http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211328472.gif   Hz
  如:K=4.5%则http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211328731.gif;K=5%则http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211328732.gif
  K=6%则http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211328516.gif;K=7%则http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211329484.gif
  K=12%则http://www.dongandianqi.com/UpFile/2010-5/26/2010526211329607.gif

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

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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

  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

  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

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  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

 
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