0 引言
隨著變頻器、電力節(jié)電器等非線性負荷的推廣使用，電力網的諧波含量越來越大。電網諧波對電力無功補償設備有著極大的影響，在諧波嚴重的局部電網，無電抗的電容器無功補償設備幾乎無法工作。許多企業(yè)采用電容器串接電抗器的無功補償方式來回避諧波，但是由于不清楚電抗值的計算方法，不僅達不到理想補償效果，反而造成了諧波放大。一些企業(yè)選用了無源濾波器，但由于沒有對電網參數(shù)精確測算，投入運行后不能正常運行。針對低壓系統(tǒng)無功補償?shù)闹C波治理問題，本文對補償電容器串接電抗器的設計計算進行了詳細的說明，還對無源濾波器在設計中的模糊概念進行了澄清，提出了用串接電抗器解決電網諧波下無法使用無源濾波器的問題，并給出了實用的計算方法。
1 諧波的主要構成成分
諧波產生的原因是多種多樣的，但電網諧波的主要構成并不復雜。電網諧波是指基波的整數(shù)倍的高次波，即2、3、4、5……次諧波。各次諧波中，偶次諧波是由于信號正負半周的不對稱所形成的，而電網中電流正負半周的不對稱的情況不常見，因此偶次諧波的含量很小。在三相系統(tǒng)中，3、6、9……等3 的整數(shù)次諧波的相位相同，在三相三線的系統(tǒng)中不能流通，在三相補償電容器中也不能流通。只要不是分相補償就不需要考慮3 的整數(shù)次諧波的影響。
在多數(shù)情況下，諧波是由非線性負荷產生的，主要是整流濾波，它在電網中產生PN依1 次諧波，P是一周內整流形成的直流波頭數(shù)，N 是自然數(shù)，三相整流最低諧波次數(shù)是5 次。
在中頻爐、變頻器等逆變類負荷中，逆變頻率與電網頻率無關，會產生頻率并不是基波的整數(shù)倍諧波，有人稱其為分數(shù)次諧波。但這些諧波被整流濾波電路隔離不會直接反饋到電網中去。
在電弧爐、電解鋁、氯堿廠等大型沖擊性不對稱負荷中，雖然諧波的成分非常復雜且含量很大，但由于其工作的間斷性產生的諧波多為間諧波，特點是持續(xù)時間短，頻譜雜亂，疊加后形成白噪聲。這類諧波可以通過在諧波負載前加裝低通濾波器進行治理。
電力機車是人們公認的諧波源，但電力機車主要形成的是陷波和不平衡負載，通過Y/吟接線的變壓器后3 的倍數(shù)次諧波被隔離，注入電網的諧波成分與逆變類負荷一樣，所以電網諧波的主要成分是5、7、11、13、17、19……次諧波。
2 諧波對無功補償?shù)挠绊?BR>當諧波源位于進行補償?shù)木植侩娋W中時稱為內網諧波。對于內網諧波，補償電容與系統(tǒng)阻抗（包括主變壓器漏電抗和電網阻抗）之間是并聯(lián)關系，如果并聯(lián)諧振頻率剛好與諧波源頻率相等就會發(fā)生并聯(lián)諧振，出現(xiàn)諧波電流放大現(xiàn)象，此時即使電容器補償容量大于諧波源容量，電容器也可能過負荷。內網諧波源容量通常小于局部網主變壓器容量，應該使用并聯(lián)濾波器將其吸收。
當諧波是由上一級電網經主變壓器竄入本級電網時稱為外網諧波。對于外網諧波，補償電容與系統(tǒng)阻抗之間是串聯(lián)關系，如果串聯(lián)諧振頻率剛好與系統(tǒng)中諧波源頻率相等就會發(fā)生串聯(lián)諧振，出現(xiàn)諧波電壓放大現(xiàn)象，可能造成補償電容器過負荷。由于系統(tǒng)諧波源往往容量較大，此時使用并聯(lián)濾波器將其吸收通常是不可能的，所以只能采取串接電抗器濾波的方式阻止過量的諧波進入電容器。因此，只有區(qū)分內網諧波與外網諧波，才能采用正確的補償濾波方式，這是十分重要的。
3 外網諧波下無功補償設計

依據(jù)電網中沒有2、3、4 次諧波的特點，工程上采用在補償電容器上串接電抗器的方法來抑

串聯(lián)電抗后，電容串聯(lián)電路的諧振頻率點降到了5 次諧波以下，由于系統(tǒng)中5 次以下的諧波含量很少，所以不會發(fā)生串聯(lián)諧振。呈現(xiàn)的電氣特性是，對于大于諧振頻率點的諧波電容串聯(lián)電路呈現(xiàn)感性，對于低于諧振頻率點的基波電容串聯(lián)電路呈現(xiàn)容性。
人們容易認為只要串接電抗器后電路對系統(tǒng)諧波呈感性就可以起到抑制諧波的作用了，其實不然，如果電路的諧振點選得過高，不僅不能抑制諧波，反而可能放大諧波。從圖1 的曲線2 的特征可以看出，盡管串接電抗后在5 次諧波頻點上電路特性成為感性，但其電抗的模值卻小于串電抗之前曲線1 的模值。也就是說串接電抗后流入電容器的5 次諧波電流更大了。所以在選擇電抗器電抗值時應該保證串接電抗后最低次諧波的阻抗模值不降低，實際設計中可以根據(jù)系統(tǒng)的電壓諧波Esk的大小，計算出可能出現(xiàn)的最大的流入補償電容器的諧波電流，并計算出主要諧波電流和基波電流的均方根值，用均方根值校驗有諧波時電容器的過載情況。各次諧波電流的計算方式為

在分組投切的電容器補償系統(tǒng)中，電抗器要串接在分組電容器上，不能用一組電抗器帶多組電容。在電容器的補償容量可能會變小的場合（例如自愈式電容器），計算要有一定的富裕量，避免諧振點上移造成阻波失效。
也不是說串接電抗越大越好。從圖1 可以看到串接電抗后串聯(lián)回路的基波總阻抗也減小了，而電容器的容抗并沒有變，所以當電容器串接了電抗器之后，電容器的工頻基波端電壓會升高。電壓升高后的值接近于串接電抗前工作電壓的XC/（XC-XL）倍，電抗選得越大電壓升高越多，故在選擇電容器的額定電壓時必須高過這個電壓。除考慮基波電壓升高外，還應該考慮諧波電壓會疊加在基波電壓之上出現(xiàn)的尖峰電壓。可用尖峰電壓校驗電容器短時過電壓能力，一般電力電容器都應達到過電壓170% 1 min 不擊穿的耐壓水平，如果所用的產品耐壓達不到要求，就需要把電容器額定電壓再提高10豫耀20%。
4 內網諧波下無功補償設計
內網諧波是企業(yè)自身的非線性負載造成的，所以其容量有限。在設計補償器時原則上不應該采用串接電抗器方式，因為這樣做是把局部電網的諧波推向了上一級電網。
正確的方式應該是采用諧波濾波器把電網自身產生的諧波吸收掉，再對電路進行無功補償。圖2 是最常用的無源濾波器的接線原理圖。設計中各次諧波支路濾波電容的容量必須大于內網諧波源的容量。在無功補償容量不超限額的情況下，可以把電容器容量選得一樣大。因為電容器的價格遠小于電抗器的價格，電容器容量越大，同樣諧振頻率所需的電抗就越小，總體造價越便宜。在濾波電抗器的設計中，電抗器的額定電流只需大于內網諧波源的諧波電流就可以了。電容的容抗值與電抗器的電抗值按所濾諧波的串聯(lián)諧振條件確定。例如7 次諧波濾波電容器在基波頻率時的容抗值為XC7 ，那么7 次諧波電抗器在基波時的電抗值為XL7=XC7/72=XC7伊2%。圖2 中列出了部分濾波電抗的近似值。諧波濾波器每一條支路只對本次諧波呈現(xiàn)阻抗最低，對于基波各支路都呈現(xiàn)容性，所以各支路都在進行著無功補償。在計算補償容量時，k 次濾波支路的無功補償容量是不串接電抗器時電容器補償容量的[k2/（k2-1）]2 倍。如果計算出來無功補償容量達不到總體設計要求，那么可以額外增設無功補償設備。當然也可以加大諧波濾波器各支路的容量，但這樣不利于補償容量的調整。

在選擇電容器額定電壓時，要在系統(tǒng)工頻電壓的基礎上再加上濾波器諧振附加電壓，諧振附加電壓值按濾波電容流過最大可能的諧波電流計算。例如5 次諧波濾波電容的基波下容抗為XC5，通過的最大5 次諧波電流為I5 ，那么5 次諧振附加電壓為
5 內網諧波與外網諧波無功補償設計
在實際系統(tǒng)中往往不僅有內網諧波，同時還有外網諧波。外網諧波源容量大，會穿過變壓器電抗進入濾波器，使濾波器嚴重過負載而燒毀。有文章提出，采用調整濾波器的諧振頻率的方式，使諧振點改變到諧波不存在的頻率上去，例如4、6、8、10 次諧波頻率。這實際是一種躲避方式，這種方式不僅會削弱濾波器對內網諧波的濾波作用，而且很危險。由于濾波支路諧振頻率與系統(tǒng)諧波頻率非常接近，一旦電網運行方式變化或是電容參數(shù)變化，就有可能與外網諧波發(fā)生諧振，造成濾波器過負載，甚至燒毀。
比較合理的方式是在濾波器與電源之間串接電抗器，如圖3所示。對于內網諧波，這種方式的濾波器的諧振點保持與諧波源的諧波頻率一致，不會影響濾波效果。對于外網諧波，濾波器始終呈現(xiàn)感性，不會造成補償、濾波電容器的過負荷。

5 次諧波電抗基波值的1到2 倍，計算下來的駐Ik不會超過內網最大濾波電流的10豫~20%。
電抗值XL也不能取得過大，因為加入電抗會升高濾波器入口基波電壓。如果濾波器有5 次、7次、11 次、13 次以上4 條濾波之路，那么與串接電抗之前相比，串接電抗后電壓大約升高的倍數(shù)為

6 結語
在有諧波的電網中進行無功補償應該采用串接電抗器的補償方式，這不僅能解決簡單電容器補償?shù)倪^流、過壓問題，也可以解決多支路無源濾波器的過載問題。設計中電抗器參數(shù)的計算十分重要，不僅要檢驗電抗器下限值對諧波的阻波作用，還要檢驗電抗器上限值給補償濾波回路造成的電壓升高，按照本文給出的計算公式可以方便地計算出所需要的電抗值。

作者簡介：

    高月民，男，勝利石油管理局生產管理部副主任工程師，主要負責電力技術管理工作，從事電網運行及電力管理工作二十余年。

參考文獻：

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