无功补偿并联电容器的谐波环境分析
摘要：本文主要对无功补偿并联电容器的谐波环境进行了分析。 关键词：无功补偿；并联电容器；谐波环境
谐波具有半波对称性、相序性和性三个特性，而性则表现在平衡电力系统中的线性网络对各次谐波的响应是的，可以将各次谐波分别进行处理。谐波容易和系统发生串联和并联谐振，一般来说，我们无法计算各谐波源的电势，但其谐波电流有规律可循。本文重点对无功补偿并联电容器的谐波环境进行分析。
一、谐波谐振的参数配合
参数谐振的原因一是电机旋转时的电感参数发生周期性变化；二是同步发电机接有容性负载时（如空载线路）即使激磁电流很小，也会使发电机的端电压和电流急剧上升，最终产生很高的过电压，又称为自励磁[1]，过电压为自励磁过电压。
参数周期性变化：
同步电抗：
周期变化；异步电抗：
周期变化。
设电感变化曲线如下图1，每个电源周期内在Ld和Lq间变化两周。
图1电机端部接电容性负载
产生参数谐振的条件是电机的电感参数变化的频率是电源频率的两倍，参数
谐振的频率为电源的频率。
同步自激参数谐振条件：
异步自激参数谐振条件：
考虑回路损耗，XC和R参数的配合。谐振所需的能量由改变参数的原功机所供给，不需要单独的电源电压。对于同步电机来说，改变参数的能源就是汽轮机或水轮机。同时，在起始阶段，只要回路中具有某些残余能量，例如，转子剩磁割切绕组而产生不大的感应电压，或电容两端有微小的残压，就可保证谐振现象的持续发展。
实际电网中存在着一定的损耗电阻，所以每次参数变化所引入的能量应当足够大，即(L1-L2)应足够大，以便不仅可以补偿电阻中的能量损耗，并使回路中的储能愈积愈多，保证谐振的发展。
谐振发生后，回路中的电流和电压的幅值，理论上能趋于无穷大，这与线性谐振现象有着显著区别（即使在完全谐振的条件下，其振荡的幅值也受损耗电阻
所）参数谐振发生后，随着电流的增大，电感线圈达到磁饱和状态，电感值迅速变小，使回路自动地偏离谐振条件，从而了谐振过电压和过电流的幅值。
当参数变化的频率与谐振频率之比等于2时，谐振最容易发。如比值等于1、2/3、1/2等，谐振虽可能发生，但是随着参数变化频率的减小，能量的引入相应减小，因而难于抵偿回路中的能量损耗，谐振的可能性大大减小，或者甚至变成不可能。
消除参数谐振的措施则包括，采用快速自动调节励磁装[2]，一般能消除同步自励磁；增大回路中的阻尼电阻Ｒ，使它大于R1和R2值，则可防止自励磁； 若条件许可，空载线路的充电合闸，应在大容量的系统侧进行，不在孤立电机侧进行；增加投入发电机的数量(即容量)，使总的Xd和Xq小于Xc，破坏产生自励磁的条件；在超高压电网中，可在线路侧装并联电抗器XL，补偿容抗XC，使总的等值容抗大于Xd和Xq。 二、系统母线电压的谐波畸变
实际运行中，各变电站普遍采有在回路中串联12%电抗构成3次谐波滤波器，12%电抗率的含义是指串联电抗器的感抗值为该回路电容器容抗值的12%,而用串联6%电抗构成5次谐波滤波器。不正好采用11%和4%，而是稍大一点，目的是使电容器回路阻抗呈感性，避免完全谐振时电容器过电流。
当变电站母线上具有两组以上电容器组，且既有串联大电抗的电容器组又有串联小电抗的电容器组时，电容器组的投切顺序是一个应该考虑的问题。投切顺序不合理可能造成不良后果。由对谐波电流的分析可知：当电容器回路呈电感性时，电容器回路和系统阻抗并联分流，可使流入系统的谐波电流减小。
当电容器回路呈电容性时，由于电容器的“补偿”作用，电容器回路在谐波电压作用下，将产生的谐波电流流入系统，这时将使系统谐波电流扩大，并使母线电压波形发生畸变。
也就是说，仅当电容器回路对谐波呈电感性时，才不会发生对系统的谐波放大。当变电站母线上既有串大电抗的电容器组又有串小电抗的电容器组时，电容器组回路各元件对谐波的阻抗如表1。
表1电容器组回路各元件对谐波的阻抗
谐波 基波 三次谐波 五次谐波 12%电抗器 12% 3*12%=36% 5*12%=60% 6%电抗器 6% 3*6%=18% 5*6%=30% 电容器 100% 100%/3=33.3% 100%/5=20% 由表1可见，串12%电抗的电容器回路对3次和5次谐波均呈电感性。而串6%电抗器的电容器回路对5次谐波呈电感性，而对3次谐波却呈电容性。
也就是说，串6%电抗的电容器组会在抑制5次谐波的同时，放大3次谐波，如果此时系统恰有较大的3次谐波分量，谐波电流就会造成电容器组过电流，使电容器过热、振动和发出异音，严重时将造成熔断器熔断甚至烧损电容器[3]。如果该容性回路与系统感抗出现不利组合，还会引发谐振。造成严重后果。
回避上述隐患的办法是：在电容器组投停顺序上作出规定，当母线具有2组以上电容器组时，电容器组的投停顺序应按所串电抗器百分电抗大小匹配进行。即：电抗值大的先投，回避对可能存在的3次谐波的放大效应，使3次、5次谐波均受到抑制后，再投入串小电抗电容器组，停用时相反。在并联电容器组操作规定和并联电容器组保护及VQC装置的整定时，均应遵守这一原则。 三、电容器电压对母线电压的容升效应
试验变压器所接的被试品大多是电容性的，在交流耐压时，容性电流在试验变压器绕组上产生漏抗压降，造成实际作用到被试品上的电压值超过按变比计算的高压侧所应输出的电压值，这就是容升效应。被试品电容及试验变压器漏抗越大，则容升效应越明显。所以我们在进行较大容量试品的交流耐压试验时，要求直接在被试品端部进行电压测量，以免被试品受到过高的电压作用。
此外，由于被试品电容与试验变压器、调压器的漏抗形成串联回路，一旦被试品容抗与试验变压器、调压器漏抗之和相等或接近时，发生串联电压谐振，造成试品端电压显著升高，危急试验变压器和被试品的绝缘。在试验大电容量的被试品时应注意预防发生电压谐振，为此，除在高压侧直接测量试验电压外，并应在被试品并接球隙进行保护。 四、谐波环境的RTDS 仿真分析
某35KV站，低压侧6KV，根据实际情况计算需补偿7600Kvar的电容器组，运行电压为6.2KV。
我们暂且选择额定电压为6.6/√3KV电容器，及电抗率为4.5%的电抗器，这样的配置方式是否合理？
首先，，式中：K—串联电抗器的电抗率，XC—并
联电容器组的每相容抗 Ω。
已知：U运行=6.2KV K=4.5%
所以
可见，电容器的输出容量与运行电压的平方成正比，当电容器运行在额定电压时，输出额定容量；当电容器运行在额定电压以下时，则达不到额定输出容量，尤其是电容器的额定电压取过大的安全裕度时，将会出现较大的无功容量亏损。 结论：
通常情况，我们无法计算各谐波源的电势，但可以寻找谐波电流的规律。谐波具有半波对称性、相序性和性三个特性，而性则表现在平衡电力系统中的线性网络对各次谐波的响应是的，可以将各次谐波分别进行处理。
消除参数谐振的措施则包括，采用快速自动调节励磁装，一般能消除同步自励磁；增大回路中的阻尼电阻R，使它大于R1和R2值，则可防止自励磁；在超高压电网中，可在线路侧装并联电抗器XL，补偿容抗XC，使总的等值容抗大于Xd和Xq。
由仿真试验可知，电容器的输出容量与运行电压的平方成正比，当电容器运行在额定电压时，输出额定容量；当电容器运行在额定电压以下时，则达不到额定输出容量，尤其是电容器的额定电压取过大的安全裕度时，将会出现较大的无功容量亏损。 参考文献：
[1]李敬波.高次谐波对电力电容器的危害及保护措施[J].科技创新导报,2007,(29):97-97.DOI:10.3969/j.issn.1674-098X.2007.29.091.
[2]高飞.油田电力系统无功功率补偿[J].油气田地面工程,2012,31(10):75.DOI:10.3969/j.issn.1006-66.2012.10.039.
[3]董永强.烯烃厂6 kV变电所无功补偿改造[J].齐鲁石油化工,2013,41(1):29-31,39.
