无源滤波器与并联电容器的应用
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1 谐振 谐波与并联电容器在低压电网中并存时,最怕的就是引发串联谐振与并联谐振。
1.1 串联谐振
若谐波来自电源系统,则变压器的电抗和低压并联电容器的电容在一定的参数下配合,就能引发串联谐振,文献[1]有数字实例,一台Uk为6%的1000kVA变压器,在低压母线上接有160kVar的并联电容器,结果引发了11次谐波的谐振,使电容器中的11次谐波电流达175A,电容器中的基波电流只有233A,总有效电流Iceff为313A,过载1.35倍,已超过允许值1.30倍。负载母线上11次谐波电压畸变系数达6.9%,也已超过允许值,而低压电源(含变压器阻抗ZT在内)母线上的畸变率只有1.5%。
1.2 并联谐振 www.jiesfly.com
若谐波源来自低压侧的非线性负荷,例如变频器,则变压器的电抗(加上电源系统的少量电抗)和低压侧的电容可构成并联谐振,文献[1]也有数字实例,低压侧接有300kvA的驱动装置,其它如变压器和电容器参数同,1.1节串联谐振中的实例,结果引发11次谐波的并联谐振,使电容器中11次谐波电流达到212A,已大于电容器中基波的90%,总有效电流达334A,过载1.45倍,也超过允许值1.30倍,其实负载的11次谐波电流才39A,又11次谐波电压的畸变率已达8.3%,大大超过允许值。
2 避免谐振的措施
措施之一为改变网络元件的电抗电容量值,然而,它的可能性不大,特别当电容器组是自动控制的场合,将有许多谐振条件都要考虑。同时要注意,即使系统参数只是接近谐振频率也能使电容器组过电流和电压畸变率超过标准。
最常用的方法是与电容器串联一个电抗器,调谐的谐振频率低于网络中产生的最低次谐波的频率,这样,无论是串联谐振还是并联谐振就不会发生。
现代的工业和建筑物电网中完全没有谐波电压和电流是不可能的,那么是否凡并联电容器都要串电抗器呢?那也不一定,如果需要串,电抗值取多少呢?下面着重讨论1000V以下低压电网情况。
2.1 并联电容器组(不串电抗器)[1]
当不存在谐振条件即电网的电抗值和并联电容器的电容值所构成的谐振频率比较高而负载产生的谐波电流和母线的谐波电压又很低时,此时,不需要考虑降低谐波值,但是IEC标准[1]并未给出划分界线的具体数据。笔者认为,谐波次数≥17就可以不考虑,即谐振频率≥17次谐波。15次谐波是3的整数倍,一般只存在于单相220V的设备中,这样只考虑到了13次就可以了。什么场合一定要串联电抗,GB[3]对此问题没有提及,厂家[4]在样本中规定的条件为GN/SN＜15%,GN为产生谐波设备的现在功率。SN为变压器视在功率。笔者认为产生谐波的设备类型有几种,发射谐波电流的大小也不同,还与一些外部条件的变动有关。因此,规定 GN/SN＜15%似乎并不明确说明什么问题,还不如IEC标准[1]的条件,至少概念上是明确的。
2.2 失谐滤波器(detuned filter)
按照文献[1]的定义,失谐滤波器是一种滤波器,它的调谐频率比有相当大(considerable),电压(电流)副值的最低次谐波频率还要小过10%多。
以5次谐波为例,其频率为250Hz,小过10%即为225Hz,因此失谐滤波器中的电抗值与电容量之比应大于4%/0.81即＞5%。
样本[4]的失谐滤波器调谐在215Hz上,它是250Hz的85%,符合文献[1]定义的要求,其相对电抗值为5.5%＞5%。
2.3 调谐滤波器(tuned filter)
按照文献[1]的定义调谐滤波器是一种滤波器,它的调谐频率偏离于被过滤的频率不得大于10%。因此对5次谐波而言,它的相对电抗值(或电抗率)X%应为4%＜X%＜5%。
2.4 并联电容器装置设计规范的规定[3]
该规范中5.5.2.2规定“用于抑制谐波,当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时,电抗率宜取“4.5%~6%”。可见文献[3]并没有区分失谐滤波器和调谐滤波器。其实,对补偿用并联电容器而言,调谐和失谐滤波器对基波都是容性电抗,都有无功补偿能力,只是大小程度不一样,调谐滤波器的无功补偿能力强。调谐或失谐的区分,是对指定的谐波次数进行滤波而言的。两者都有滤波器(抑制谐波)的能力,只是调谐滤波器的滤波能力更加强。
对于GB这一条的术语“抑制谐波”似乎应是调谐滤波器,因而电抗率取4.5%~6%,IEC的要求为4%
3 以上3种装置应用中的注意点
并联电容器、失谐滤波器、调谐滤波器这三种装置在应用中的注意点如下。
3.1 并联电容器
通常对一台配电变压器而言,并联电容器可以分散多级配置,已经安装好投入运行后,如果情况变化再来考虑避免谐振的问题,就会非常困难,即使只在一处装有补偿并联电容器,也不能串联电抗器就完事,因这将使电容器过流和过电压。因此在确定选用那种装置时,不但要分析网络当前的谐波情况,还要考虑到将来情况的变化。
3.2 失谐滤波器
如上所述,它不能利用已运行的并联电容器串联电抗器来构成,通常它也不能和并联电容器或/和调谐滤波器混装在一起并联运行,因为在它们之间的谐波负载的分配不大可能刚好和它们的定额参数相匹配,结果将造成部分装置的过载。
3.3 调谐滤波器
通常,滤波器调谐的频率只考虑奇数次特征频率,不考虑3的估算次,即只考虑5,7,11,13,17,19等次数,但是当有接于线间或线一中线间的单相负载时,就要考虑3及3的倍数次谐波。在分合操作时,全部滤波器单元应同时进行,假定要求分开单独操作,在合闸时,先合5次,再7、11次等按上升规律进行,分闸时,则将顺序倒过来,即先分断最高次的。
同一调谐频率的滤波器的并联运行可能会带来两个问题:
(1) 由于参数的偏差,不可能有完全相同的谐波阻抗,致使有的可能过载;
(2) 有可能在彼此间引发并联谐振
在这种场合将运行中的彼此间的中间点(即电抗器和电容器的连接点)用附加的触点连接起来是有利的办法。
4 相对电抗值的大小决定了是哪类滤波器
对5次谐波而言,绝对准确谐振时的相对电抗值是4%,按IEC标准[1]的规定,X%＞5%是失谐滤波器。
4.1 为何对4%一定要有一些偏离
这是考虑部件电容值和电抗值在制造中的容差,受温度和老化的影响,受电流变化的影响,而且电网的基波频率也可能略有变化。
4.2 这么小的偏离值是否太严格
偏离4%愈小,滤波效率愈高,当然是好事,但对电抗器的设计制造提出了严格要求。IEC[1]的要求:电抗值制造容差为±3%对大多数滤波器应用是可以接受的。当负载电流从额定值到最大值时,电抗值的变化不能＜5%。通常低压滤波器电抗器带铁心,正常运行中的任何情况下铁心都不应饱和(变成非线性)和发生铁磁谐振,IEC[1]没有对电容器电容值的容差提出要求,电容值的容差按自愈式低压电容器中的产品标准[8],对＜100kVar为-5%到+15%。对>100kVar为0%到+10%,因此电容值偏差也是不能忽略的,要整体考虑电抗值和电容值的制造容差,因此实际产品的X%取值靠近5%,也是完全可行的,GB[3]取值4.5%＜X%＜6%在设计制造上相对较易,但滤波器效率要差。
5 失谐与调谐还有那些不同?
工业与建筑电网中有一定量的谐波时,工程设计是选择失谐滤波器还是调谐滤波器?以5次谐波为例,这两者的区别若以相对电抗作为分界线,在这一点是差别不大的,但是在下列各点上都有不小的差别。
5.1功能上的不一样
调谐滤波器的相对电抗为4%＜X%＜5%,愈接近4%滤波效果愈好,因此其功能主要是滤波,附带有无功补偿功能。失谐滤波器的相对电抗X%＞5%,也有滤波功能和无功补偿功能,但X%愈大,这两项功能的效果就愈降低,其主要功能目标是无功补偿。
5.2部件的定额选择不同
调谐滤波器的电流要考虑通过的谐波电流和基波电流(无功),设计时要确定谐波电流,(确定X%后,就都可算出)。失谐滤波器设计时要先确定补偿无功的功率,确定X%后,即可计算出谐波电流,至于电抗和电容分别承受的电压计算方法对两种滤波器都一样,不过失谐滤波器中的电容器承受的电压比电网额定电压要更高一些。
5.3 对部件的性能参数的要求不同
调谐滤波的X%限制在4%和5%之间,只有1%的的区间,由于要考虑温度和负载的变化等对X%产生的不利影响。因而对部件的设计制造或选择都提出了严格的要求,如上面4.2节介绍的那样,而失谐滤波器的X%限制为＞5%,自由空间较大,X%比5%大得多一点,如6%或7%或更大,也不会出现严重问题。谐调滤波器则不同,一旦实际的X%小于4%,就有与电源电抗或其它滤波器发生谐振的可能,其不良后果要严重得多。
5.4 价格上的可能不同
由于调谐滤波器对部件的性能参数的容差和稳定性要求严格,和失谐滤波器相比,在承载定额相同的条件下,前者的价格会高些,后者由于容抗和感抗要多抵消一些,对价格也有一些升高,但估计对价格不会有大的影响。
6 选调谐还是失谐,或纯并联电容器
6.1 并联电容器
如前面2.1节所述,当不存在谐振条件即电网的电抗值和并联电容器的电容值形成的谐振频率比较高(例≥17次)而负载产生的谐波电流和母线的谐波电压又很低时,则选用纯并联电容器[1]。
6.2 调谐还是失谐?
前已说明,两种滤波器均串有电抗器,均能避免谐振,均能补偿无功,也均能补偿谐波,只是调谐比失谐滤波器同时对二者的补偿能力要高。如果现在电网的谐波电压已经超标,毫无疑问要选用调谐滤波器,如果现在电网的谐波电压比标准的容许值低,而现在可以予计到将来有谐波源负载增加,超标的可能性极大,宁肯现在就装上调谐滤波器,将来加装规格性能相同的调谐滤波器也容易些,它们的并联运行使过滤的谐波电流也易于实现均匀分配,如果不考虑发展,只顾目前装设失谐滤波器,一旦谐波负荷增加,就要改装为调谐滤波器,但改造起来是费事的。现代由于生产工艺和节约电能,都有可能将异步机改造成变频调速,已有一些工矿企业谐波负荷逐年增长,致使原有的并联电容器由于谐振不得不退出运行,也不得不承受低功率因数罚款,此外谐波电压还使系统运行变得困难。
要注意,无论失谐或调谐滤波器都有无功补偿能力,工程设计时要事先考虑到,无功补偿可能会形成过电压。
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1.1 串联谐振
若谐波来自电源系统,则变压器的电抗和低压并联电容器的电容在一定的参数下配合,就能引发串联谐振,文献[1]有数字实例,一台Uk为6%的1000kVA变压器,在低压母线上接有160kVar的并联电容器,结果引发了11次谐波的谐振,使电容器中的11次谐波电流达175A,电容器中的基波电流只有233A,总有效电流Iceff为313A,过载1.35倍,已超过允许值1.30倍。负载母线上11次谐波电压畸变系数达6.9%,也已超过允许值,而低压电源(含变压器阻抗ZT在内)母线上的畸变率只有1.5%。
1.2 并联谐振 www.jiesfly.com
若谐波源来自低压侧的非线性负荷,例如变频器,则变压器的电抗(加上电源系统的少量电抗)和低压侧的电容可构成并联谐振,文献[1]也有数字实例,低压侧接有300kvA的驱动装置,其它如变压器和电容器参数同,1.1节串联谐振中的实例,结果引发11次谐波的并联谐振,使电容器中11次谐波电流达到212A,已大于电容器中基波的90%,总有效电流达334A,过载1.45倍,也超过允许值1.30倍,其实负载的11次谐波电流才39A,又11次谐波电压的畸变率已达8.3%,大大超过允许值。
2 避免谐振的措施
措施之一为改变网络元件的电抗电容量值,然而,它的可能性不大,特别当电容器组是自动控制的场合,将有许多谐振条件都要考虑。同时要注意,即使系统参数只是接近谐振频率也能使电容器组过电流和电压畸变率超过标准。
最常用的方法是与电容器串联一个电抗器,调谐的谐振频率低于网络中产生的最低次谐波的频率,这样,无论是串联谐振还是并联谐振就不会发生。
现代的工业和建筑物电网中完全没有谐波电压和电流是不可能的,那么是否凡并联电容器都要串电抗器呢?那也不一定,如果需要串,电抗值取多少呢?下面着重讨论1000V以下低压电网情况。
2.1 并联电容器组(不串电抗器)[1]
当不存在谐振条件即电网的电抗值和并联电容器的电容值所构成的谐振频率比较高而负载产生的谐波电流和母线的谐波电压又很低时,此时,不需要考虑降低谐波值,但是IEC标准[1]并未给出划分界线的具体数据。笔者认为,谐波次数≥17就可以不考虑,即谐振频率≥17次谐波。15次谐波是3的整数倍,一般只存在于单相220V的设备中,这样只考虑到了13次就可以了。什么场合一定要串联电抗,GB[3]对此问题没有提及,厂家[4]在样本中规定的条件为GN/SN＜15%,GN为产生谐波设备的现在功率。SN为变压器视在功率。笔者认为产生谐波的设备类型有几种,发射谐波电流的大小也不同,还与一些外部条件的变动有关。因此,规定 GN/SN＜15%似乎并不明确说明什么问题,还不如IEC标准[1]的条件,至少概念上是明确的。
2.2 失谐滤波器(detuned filter)
按照文献[1]的定义,失谐滤波器是一种滤波器,它的调谐频率比有相当大(considerable),电压(电流)副值的最低次谐波频率还要小过10%多。
以5次谐波为例,其频率为250Hz,小过10%即为225Hz,因此失谐滤波器中的电抗值与电容量之比应大于4%/0.81即＞5%。
样本[4]的失谐滤波器调谐在215Hz上,它是250Hz的85%,符合文献[1]定义的要求,其相对电抗值为5.5%＞5%。
2.3 调谐滤波器(tuned filter)
按照文献[1]的定义调谐滤波器是一种滤波器,它的调谐频率偏离于被过滤的频率不得大于10%。因此对5次谐波而言,它的相对电抗值(或电抗率)X%应为4%＜X%＜5%。
2.4 并联电容器装置设计规范的规定[3]
该规范中5.5.2.2规定“用于抑制谐波,当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5次及以上时,电抗率宜取“4.5%~6%”。可见文献[3]并没有区分失谐滤波器和调谐滤波器。其实,对补偿用并联电容器而言,调谐和失谐滤波器对基波都是容性电抗,都有无功补偿能力,只是大小程度不一样,调谐滤波器的无功补偿能力强。调谐或失谐的区分,是对指定的谐波次数进行滤波而言的。两者都有滤波器(抑制谐波)的能力,只是调谐滤波器的滤波能力更加强。
对于GB这一条的术语“抑制谐波”似乎应是调谐滤波器,因而电抗率取4.5%~6%,IEC的要求为4%
3 以上3种装置应用中的注意点
并联电容器、失谐滤波器、调谐滤波器这三种装置在应用中的注意点如下。
3.1 并联电容器
通常对一台配电变压器而言,并联电容器可以分散多级配置,已经安装好投入运行后,如果情况变化再来考虑避免谐振的问题,就会非常困难,即使只在一处装有补偿并联电容器,也不能串联电抗器就完事,因这将使电容器过流和过电压。因此在确定选用那种装置时,不但要分析网络当前的谐波情况,还要考虑到将来情况的变化。
3.2 失谐滤波器
如上所述,它不能利用已运行的并联电容器串联电抗器来构成,通常它也不能和并联电容器或/和调谐滤波器混装在一起并联运行,因为在它们之间的谐波负载的分配不大可能刚好和它们的定额参数相匹配,结果将造成部分装置的过载。
3.3 调谐滤波器
通常,滤波器调谐的频率只考虑奇数次特征频率,不考虑3的估算次,即只考虑5,7,11,13,17,19等次数,但是当有接于线间或线一中线间的单相负载时,就要考虑3及3的倍数次谐波。在分合操作时,全部滤波器单元应同时进行,假定要求分开单独操作,在合闸时,先合5次,再7、11次等按上升规律进行,分闸时,则将顺序倒过来,即先分断最高次的。
同一调谐频率的滤波器的并联运行可能会带来两个问题:
(1) 由于参数的偏差,不可能有完全相同的谐波阻抗,致使有的可能过载;
(2) 有可能在彼此间引发并联谐振
在这种场合将运行中的彼此间的中间点(即电抗器和电容器的连接点)用附加的触点连接起来是有利的办法。
4 相对电抗值的大小决定了是哪类滤波器
对5次谐波而言,绝对准确谐振时的相对电抗值是4%,按IEC标准[1]的规定,X%＞5%是失谐滤波器。
4.1 为何对4%一定要有一些偏离
这是考虑部件电容值和电抗值在制造中的容差,受温度和老化的影响,受电流变化的影响,而且电网的基波频率也可能略有变化。
4.2 这么小的偏离值是否太严格
偏离4%愈小,滤波效率愈高,当然是好事,但对电抗器的设计制造提出了严格要求。IEC[1]的要求:电抗值制造容差为±3%对大多数滤波器应用是可以接受的。当负载电流从额定值到最大值时,电抗值的变化不能＜5%。通常低压滤波器电抗器带铁心,正常运行中的任何情况下铁心都不应饱和(变成非线性)和发生铁磁谐振,IEC[1]没有对电容器电容值的容差提出要求,电容值的容差按自愈式低压电容器中的产品标准[8],对＜100kVar为-5%到+15%。对>100kVar为0%到+10%,因此电容值偏差也是不能忽略的,要整体考虑电抗值和电容值的制造容差,因此实际产品的X%取值靠近5%,也是完全可行的,GB[3]取值4.5%＜X%＜6%在设计制造上相对较易,但滤波器效率要差。
5 失谐与调谐还有那些不同?
工业与建筑电网中有一定量的谐波时,工程设计是选择失谐滤波器还是调谐滤波器?以5次谐波为例,这两者的区别若以相对电抗作为分界线,在这一点是差别不大的,但是在下列各点上都有不小的差别。
5.1功能上的不一样
调谐滤波器的相对电抗为4%＜X%＜5%,愈接近4%滤波效果愈好,因此其功能主要是滤波,附带有无功补偿功能。失谐滤波器的相对电抗X%＞5%,也有滤波功能和无功补偿功能,但X%愈大,这两项功能的效果就愈降低,其主要功能目标是无功补偿。
5.2部件的定额选择不同
调谐滤波器的电流要考虑通过的谐波电流和基波电流(无功),设计时要确定谐波电流,(确定X%后,就都可算出)。失谐滤波器设计时要先确定补偿无功的功率,确定X%后,即可计算出谐波电流,至于电抗和电容分别承受的电压计算方法对两种滤波器都一样,不过失谐滤波器中的电容器承受的电压比电网额定电压要更高一些。
5.3 对部件的性能参数的要求不同
调谐滤波的X%限制在4%和5%之间,只有1%的的区间,由于要考虑温度和负载的变化等对X%产生的不利影响。因而对部件的设计制造或选择都提出了严格的要求,如上面4.2节介绍的那样,而失谐滤波器的X%限制为＞5%,自由空间较大,X%比5%大得多一点,如6%或7%或更大,也不会出现严重问题。谐调滤波器则不同,一旦实际的X%小于4%,就有与电源电抗或其它滤波器发生谐振的可能,其不良后果要严重得多。
5.4 价格上的可能不同
由于调谐滤波器对部件的性能参数的容差和稳定性要求严格,和失谐滤波器相比,在承载定额相同的条件下,前者的价格会高些,后者由于容抗和感抗要多抵消一些,对价格也有一些升高,但估计对价格不会有大的影响。
6 选调谐还是失谐,或纯并联电容器
6.1 并联电容器
如前面2.1节所述,当不存在谐振条件即电网的电抗值和并联电容器的电容值形成的谐振频率比较高(例≥17次)而负载产生的谐波电流和母线的谐波电压又很低时,则选用纯并联电容器[1]。
6.2 调谐还是失谐?
前已说明,两种滤波器均串有电抗器,均能避免谐振,均能补偿无功,也均能补偿谐波,只是调谐比失谐滤波器同时对二者的补偿能力要高。如果现在电网的谐波电压已经超标,毫无疑问要选用调谐滤波器,如果现在电网的谐波电压比标准的容许值低,而现在可以予计到将来有谐波源负载增加,超标的可能性极大,宁肯现在就装上调谐滤波器,将来加装规格性能相同的调谐滤波器也容易些,它们的并联运行使过滤的谐波电流也易于实现均匀分配,如果不考虑发展,只顾目前装设失谐滤波器,一旦谐波负荷增加,就要改装为调谐滤波器,但改造起来是费事的。现代由于生产工艺和节约电能,都有可能将异步机改造成变频调速,已有一些工矿企业谐波负荷逐年增长,致使原有的并联电容器由于谐振不得不退出运行,也不得不承受低功率因数罚款,此外谐波电压还使系统运行变得困难。
要注意,无论失谐或调谐滤波器都有无功补偿能力,工程设计时要事先考虑到,无功补偿可能会形成过电压。
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