用系统设计的方法进行高压无功补偿装置的设计

谢彩霞

（上海河图工程股份有限公司武汉分公司，湖北武汉 430070）

用系统设计的方法进行高压无功补偿装置的设计

谢彩霞

（上海河图工程股份有限公司武汉分公司，湖北武汉 430070）

由于采用传统方法设计的无功补偿装置存在着不足，经常出现烧毁电容器或电抗器的事故，为了克服这些不足，提出了一种基于系统设计的方法进行无功补偿的设计。通过详细的理论推导以及这两种设计方法在具体工程中的应用对比分析和专用工程软件计算机仿真，仿真结果和前后谐波改善效果对比表明采用系统设计的方法能有效避免装置发生谐振而烧毁器件的危险现象。

无功补偿装置；电抗率；系统阻抗；串联谐振

1 无功补偿装置传统设计方法

在工厂6～10 kV高压配电系统中，大量采用串电抗器的高压无功补偿。设备运行过程中经常出现烧电容器或电抗器的事故，究其原因是电抗器电抗率的选择与电网系统参数不匹配。现从系统设计的角度来分析无功补偿装置设计应注意的问题。

传统无功补偿及无源滤波装置通常由滤波电容器、串联电抗器适当组合而成，其与电网中谐波源并联，对系统进行无功补偿兼滤波。在实际工程应用中，设计院一般只给出需要的补偿容量，而设备成套厂家往往简单地根据设计院给出的补偿容量，选择额定容量与该补偿容量值相同的滤波电容器组，串联电抗器一般选择电抗率为12%、6%、4.5%中的一种，组成等容或不等容的无功补偿支路。该方法实施简单易行，但设计比较粗糙，某些具体的工业应用场合设备运行效果不好，还有可能与系统产生谐振出现烧毁电容器或电抗器的事故。

2 基于系统设计思想设计无功补偿装置

电力系统中的谐波源可等效为电流源，其主要特征是外阻抗变化时电流不变，当电力系统有谐波源时无功补偿装置的简化电路如图1所示[1]。

图1 电力系统简化电路图

设滤波电容器组额定容量为QC,与之对应的串联电抗器额定容量为QL，电抗器电抗率为K。串联电抗器额定容量等于电容器的额定容量乘以电抗率（单相和三相均可按此简便计算）[2]。

式中，I1为该无功补偿支路上的基波电流，XL1为电抗器基波电抗，XC1为电容器基波电抗。

图2 谐波电流等效电路模型

由图2中谐波电流等效电路模型可以得出流入系统谐波电流、电容器中吸收的谐波电流以及并联谐波阻抗分别如下：

式中，n——谐波次数；

In——谐波源的n次谐波电流；

Isn——流入电网系统中的谐波电流，

ICn——流入电容器中的谐波电流；

XS——系统等效基波短路阻抗。

当电网中有谐波电流源时，由式（4）可以整理得到谐波电流放大率为：

式中，s=XS/XC1=QC1/Sd，Sd为无功补偿装置接入电网处母线的短路容量；

QC1——无功补偿装置基波有效容量。

在不考虑系统阻抗影响的情况下，该无功补偿通道上并联电容器与串联电抗器组成串联谐振电路，当满足式（5）的分子为零时就能滤去特定次数的谐波，即可以得到如下的表达式[3]：

式（9）中n即为发生串联谐振的特定谐波次数。当电抗器电抗率K分别取12%，6%，4.5%时，则发生串联谐振的谐波次数n分别为2.89，4.08，4.71。

由以上分析可以看出，传统无功补偿装置实质上还是滤波器（不同的电抗率器对应不同的滤波器调谐频率），滤波器的设计必须考虑系统阻抗；如果不考虑系统阻抗的影响，当同时投入多组无功补偿装置时，在某种运行情况下，可能使2、3、4次谐波中的某一次谐波严重放大，威胁到无功补偿装置设备和电网的安全。

3 工程应用分析

3.1 具体工程应用背景

某钢厂新建炼钢连铸35/10 kV开关站一座，其10 kV开关站为单母线分两段主接线，即 I、II段母线。I，II段母线最大短路容量为：190 MVA（阻抗标幺值 0.52848，0.5826 Ω），最小短路容量为 152 MVA（阻抗标幺值0.657，0.7243 Ω）。

炼钢连铸35/10 kV开关站10 kV系统负荷中连铸及转炉车间有部分整流变压器，会产生少量的高次谐波电流，由该工程相关资料，并考虑背景谐波得出系统主要谐波源如表1所示。可以看出各次谐波电流均在国家谐波标准限值内[4]，不需要设计专门滤波器，只需要安装无功补偿装置。根据负荷计算，其10 kV开关站I、II段母线上需要分别新增3组10 kV，3600 kvar无功补偿装置，提高10 kV母线功率因数，从而满足正常生产用电要求。

表1 系统主要次数谐波电流

3.2 传统设计方法具体应用

以I段母线为例，在该段母线上装设3组10 kV，3600 kvar无功补偿装置，以下是按传统设计方法设计的无功补偿装置参数，如表2所示。

表2 传统方法设计的无功补偿装置参数表

从表2可以看出I段母线上的3组无功补偿装置安装容量均为3600 kvar，满足设计要求，但每组无功补偿装置均选用电抗率为6%串联电抗器。

而在通过专用工程软件下通过计算机仿真，可以得到无功补偿装置在最小工作方式和最大工作方式这两种工作方式下的运行状况，如图2所示。其中图2中曲线代表系统与无功补偿装置的综合阻抗曲线，直线代表系统阻抗曲线。由图2中仿真结果显示，当3组串联电抗器电抗率均选为6%且3组都投入时，在最小或最大系统工作方式下均会发生无功补偿装置与系统并联谐振的现象，且谐振频率发生在150 Hz附近，引起3次谐波严重放大。这样可能会烧毁装置设备，甚至危及电网运行安全，因此这种情况必须加以避免。

图2 传统方法设计的无功补偿装置的运行状况

3.3 系统设计方法具体应用

仍然以I段母线为例，在该段母线上装设3组（套）10 kV，3600 kvar无功补偿装置，以下是采用系统设计方法设计的无功补偿装置参数，见表3。

表3 采用系统方法设计的无功补偿装置参数表

由表3可知，为满足设计要求和更好做前后对比分析，I段母线上的3组无功补偿装置（C1/C2/C3）安装容量仍然均为3600 kvar，但每组无功补偿装置不再均选用电抗率为6%串联电抗器，而是无功补偿装置C1选用电抗率为12%的串抗(相当于H3滤波器)，C2选用电抗率为6%的串抗(相当于H4滤波器)，C3选用电抗率为4.5%的串抗 (相当于H5滤波器)。虽然无功补偿装置C1选择电抗率为12%的串抗，相比传统设计C1选择电抗率为6%的串抗，成本要高一些,但是无功补偿装置C3选择的串抗电抗率为4.5%却要比6%的串抗便宜一些，这样计算下来装置总的成本相差不是很大。同时，从图3的仿真结果明显可以看出，基于系统设计方法设计的无功补偿装置在系统最小运行方式及系统最大运行方式下均不会发生并联谐振现象。

3.4 两种设计方法谐波改善效果对比分析

图3 基于系统设计方法设计的无功补偿装置的运行状况

为进一步对比分析基于两种设计方法设计出的装置的运行效果，通过专用工程软件进行计算机仿真，得到投入装置前后在最小工作方式和最大工作方式这两种工作方式下系统谐波电流改善效果对照表，分别如表4、5所示。

表4 传统方法设计的装置投入前后谐波改善效果对照表

从表4、5可以明显看出，当采用传统设计方法的无功补偿装置投入后，导致系统3次谐波电流严重放大，在最小工作方式和最大工作方式这两种工作方式下3次谐波电流分别放大6.57倍和10.35倍，而采用系统方法设计的装置投入后在两种工作方式下3次谐波电流都没放大，避免了并联谐振现象的发生。因此采用系统设计方法设计的无功补偿装置能根据系统具体情况设计适应的方案，因而更加安全可靠，效果更好。

4 结论

采用基于系统设计的思想来设计无功补偿装置，即将无功补偿装置的设计与电网系统结合起来，综合考虑系统阻抗的影响，使电抗器电抗率的选择与电网系统参数匹配，从而避免上述危险现象的发生，降低风险成本。

表5 基于系统方法设计的装置投入前后谐波改善效果对照

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]陈佰胜.串联电抗器抑制谐波的作用及电抗率的选择[J].电网技术，2003，27(12)：92-95.

[3]鞠非.无功补偿电容器串联电抗器的选择[J].电力电容器，2006，6(6)：4-7.

[4]GB／T14549—1993，电能质量公用电网谐波[S].

表1 方案优缺点对比

4.2 方案实施

（1）切除SVG后，电网质量未有明显变化，但是功率因数下降，且整流单元跳闸的现象还是有发生。因此此方案放弃。

（2）调整传动系统参数，将阈值放大，整流单元跳闸现象依然有发生。因此此方案放弃。

（3）将目前使用的数字量控制的TCB板全部更换为模拟量控制TCB板。

（4）目前低压进线电压较高，设备未运行时低压进线电压达到744 V左右（要求为660～690 V± 10%），分厂可将变压器二次侧降低一档后投入使用。

方案（3）、（4）实施后，系统再未出现类似故障。整流单元频繁跳闸故障得以解决。

5 结论

影响整流单元跳闸的因素错综复杂，因此通过对故障现象的分析结合鱼骨图分析法，从人、机、料、法、环5个方面对可能造成故障的原因进行了详细分析，并针对结果进行分析验证，确认了最终的故障原因，并针对故障原因制定了解决措施，最终解决了大棒分厂S120变频器整流单元频繁跳闸的故障。

收稿日期：2015－03－20

作者简介：施洪亮（1970－），男，1993年毕业于河海大学电力系统及其自动化专业，工程师，现从事冶金企业电气自动化管理工作。

Using System Design Method to Design High-voltage Var Compensation Device

XIE Caixia
（Wuhan Branch of Shanghai Hoto Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430070,China）

Var compensation device designed with traditional methods has shortcomings often causing accidents of burning the capacitor or reactor.To overcome these problems,a design of var compensation device based on system design method was put forward.Through detailed theoretical analysis,comparative analysis of applications of the two design methods in actual projects,simulation with special engineering software and comparison of the simulation results with improved performance of harmonics,it was revealed that using the system design method could effectively avoid the occurrence of resonance and the risks of burning elements.

var compensation device;reactance ratio;system impedance;series resonance

TM714.3

B

1006-6764(2015)06-0004-04

2014－04－10

谢彩霞（1976－），女，2000年毕业于武汉水利电力大学计算机应用专业，助理工程师，现从事电气工程设计工作。