电力系统谐波背景下10 kV串联铁芯电抗器噪声分析

陆华梁 徐斌 蔡秋烨

国网嘉定供电公司

电力系统谐波背景下10 kV串联铁芯电抗器噪声分析

陆华梁 徐斌 蔡秋烨

国网嘉定供电公司

基于嘉定地区电网谐波背景下一起10 kV串联铁芯电抗器噪声过大缺陷处理，分析电力系统谐波对10 kV串联铁芯电抗器噪声的影响，为今后10 kV串联电抗器设计选型提供依据，避免由于电抗器选型不妥导致的噪声超标问题。

10 kV串联铁芯电抗器；谐波；噪声

上海嘉定辅道110 kV变电站送电时发现10kV串联铁芯电抗器噪声超标，经电科院检测发现投入电抗器后，系统5次谐波超国家标准，噪声也明显大于国标要求，经分析认定该电抗器串抗率定位1%的选型存在问题，更换5%串抗率后噪声明显降低，经电科院再次检测，系统谐波超标问题得以解决，噪声问题也得到了改善。

1 电力系统谐波及其危害

在实际的电力系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐振含量放大，造成电容器等设备烧毁。

2 串联电抗器与串抗率

串联电抗器与并联电容器组相配合，用于限制合闸涌流和系统中的高次谐波。GB50227《并联电容器装置设计规范》中规定：仅用于限制涌流时，电抗率宜取0.1%～1.0%；用于抑制谐波时，电抗器应根据并联电容器装置接入电网处的背景谐波含量的测量值选取，当谐波为5次及以上时，电抗率宜采取4.5%～5%，当谐波为3次及以上时，电抗率宜选12.0%，亦可采用4.5%～5%与12.0%两种电抗率混装方式。

3 理论分析

3.1 设备参数

110 kV 辅道站有两台110 kV/10 kV 主变，容量为50 MVA，阻抗均为17%左右，110 kV侧为环进环出支接变压器接线，两侧电源分别来自220kV静宜站和220 kV双丁站，共有4组10 kV并联电容器组，分别位于10 kV一、二、三、四段母线上，1号和3号电容器容量均为3 000 kVar，2号和4号电容器容量均为5 000 kVar，详见图1该站一次系统接线。

图1 辅道站一次接线图

每组电容器组内设备情况见表1、表2。

表1 3 000 kVar电容器组设备清单表

表2 5 000 kVar电容器组设备清单表

通过PMS系统查询辅道站的上级供电电源盒变压器参数，初步计算辅道站10 kV母线的短路容量，年底正常运行方式下，静宜站220 kV正付母线三相短路电流为35.76 kA。

各级变电站主要参数如下。

（1）静宜站2号主变额定容量240 MVA，高压-中亚短路阻抗为13.6%。

（2）静宜站至辅道站线路参数：电缆700 m。

（3）辅道站2号主变额定容量为50 MVA，短路阻抗为17.2%

3.2 计算

估算静宜站供电时，辅道站10 kV母线年底正常短路容量计算结果为267 MVA，以典型电网模型为基础，当系统短路容量为Sd、电抗器串抗率为K时，在n次谐波频率下，谐振容量计算公式为：

根据公式计算，设短路容量为267 MVA，谐振次数为5，串抗率为1%时，计算到的电容器谐振容量为Qcx=80.3 Mvar，与两台电容器同时运行时的容量相接近，可能发生5次谐波谐振。当串抗率改为5%时，电容器谐振容量值变为负值，避免发生5次谐波谐振。

4 实测数据分析

4.1 整改前

2015年12月，上海嘉定辅道站在启动投运时发现电容器组投入运行后，噪声超标。经电科院相关人员对谐波、噪声进行测试，结果见表3。

2016年4月8日，电科院再次对辅道站电容器组谐波、噪声进行测试，与第1次测试不同的是10 kV母线上已经带上约1.3 MW负荷，结果见表4。

从表2、表3中可以看出以下几点。

（1）无论辅道站上级电源来自何处，电网背景电压谐波水平均小于国家标准（GB/T14549-93）中规定的10 kV电压总畸变率（THD）应小于4%，奇次谐波应小于3.2%的要求。

（2）电容器投入后出现谐波放大现象：当3000 kVAR和5 000 kVAR两组电容器组同时投入后，出现了5次谐波的严重放大，导致超出国标3.2%的限值。

表3 整改前辅道站第1次测试结果

表4 整改前辅道站第2次测试结果

（3）根据不同运行方式下的谐波和噪声情况相比较，可以看出谐波电流的增大导致流经电容器的电流有效值大于电抗器额定电流，导致实际电抗器承受的端电压大于额定端电压。对于铁芯电抗器来说，铁芯柱的横截面积和绕组匝数为常数，意味着在一定的供电频率下，电抗器的端电压与铁芯的磁通密度成正比。电抗器的铁芯磁通密度实际已饱和，从而导致电抗器噪声变大。所以，谐波电流的大小与电抗器噪声大小成正比。

4.2 整改后

经过整改，辅道站1、2、4号电电容器组内更换1%串抗率的电抗器，改为5%串抗率的电抗器，根据电容器相关规范要求，其余设备也做了相应更换（参数见表4和表5），额定电

表4 整改后1号电容器组设备清单表

表5 整改后2号、4号电容器组设备清单表

再次进行谐波、噪声检测，结果见表6与表7。

从表6、表7中可以看出以下几点。

（1）第2、3次测试表明，电容器组的单投基本没有发生大德5次谐波谐振，第1次测试的结果比较大是因为测试时10 kV母线空载的缘故，这与之前理论计算，当电容量达到8 MVAR时（1号与2号一起投或者3号与4号一起投），才发生5次谐波谐振的结果吻合。

（2）整改后，1号、2号、4号电容器组特性具有5次谐波的滤波效果，特别是俩俩组合的投运，这种效果更明显，从而有效避免5次谐波谐振，降低谐波电流，从而减少噪声。

5 结语

（1）改变串抗率显著改善了电容器投入后的谐波水平和噪声水平

电容器串抗率由1%改为5%后，电容器投入对电压总谐波畸变率的影响由放大2～7倍，变为减小30%～70%。经改造后，平均噪声下降幅度约28 dB；10 kV母线电压总畸变率在电容器组投入后呈下降趋势，THD和5次谐波含量均低于国标的限值；各改造电容器组的电流有效值均在额定值范围之内，说明此次整改效果明显；此次整改后，各电容器组投入对电网的5次谐波被污染产生滤波效果，具有改善辅道站10 kV母线系统电压谐波水平的作用。

（2）背景谐波水平和谐波阻抗特性在不断变化

在三次的测试过程中，不同的上级电源、不同的运行方式、不同的负荷水平下，电网的背景系诶波水平，特征频次，投入同样电容器后的谐波放大倍数均有所不同。3号电容器组串抗率维持1%没有改造，投入后的早上也有所降低，从70dB降低到66 dB，THD值也仅上升到1.5%，原因是测试时10 kV母线上已经带负荷，改变了谐振条件。但应注意的是串抗率1%的情况下，谐波仍然会放大，如果系统背景谐波水平提高，则3号电容器组单独投入后，系统的THD也会上升。

6 建议及推广

根据电能质量技术监督管理规定、电容器装置设计规范等相关的标准要求，需要结合电网实际情况开展电容器设计工作，特建议如下。

（1）电容器的串抗率应结合电网实际情况进行选择。应按照相关国标对电容器组使用的串抗率大小进行验算，防止因使用不恰当的串抗率后，发生谐波谐振事故和噪声污染。

表6 辅道站整改后第三次测试结果1（与第一、二次比较）

（2）正常谐波水平下得电容器串抗的噪声质量需要进行把控。单台电容器投入后，母线谐波电压在国标范围内，但此时电抗器噪声仍是处于比较高德水平，建议加强对电容器串联电抗器谐波耐受能力的分析和研究。

（3）安装电能质量在线监测装置以实时掌握谐波变化。背景谐波水平和谐波阻抗水平都在不断变化，辅道站内符合上来之后也有可能存在谐波污染，实时的在线监测十分必要。

（4）建议配置便携式谐波监测分析仪，方便运检人员及时掌握变电站谐波水平，及时发现和消除潜在的隐患。在电容器组投运调试时应尽量避免母线空载运行情况，加强对电容器组电流有效值的监控。

以上海市电能质量监测网的年报揭示：3、5、7、11和13次谐波是上海电网中较为常见的谐波频次。表8、表9是根据国标提供的谐振容量计算公式，计算短路容量Sd在90～290 MVA变化，串抗率K=1%、5%时的谐波次数n、电容器补偿容量Qc。

10 kV Noise Analysis of Series Iron Core Reactor under Background of Power System Harmonics

Lu Hua,Liang Xubin,Cai Qiuhua
State Grid Jiading Power Supply Company

10kV Series Iron Core Reactor,Harmonics,Noise

表7 辅道站整改后第三次测试结果2（与第一、二次比较）

表8 当k=1%时，Sd、Qc、n的相互关系

表9 当k=5%时，Sd、Qc、n的相互关系

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.04.009

Abstracr: Based on Jiading area power grid harmonics background,there is some excessive noise defect settlement in series iron core reactor. The author analyzes impact of power system harmonics on noise of 10kV series iron core reactor,which provides reference to design and equipment selection of 10kV series iron core reactor to avoid improper reactor selection causing excessive noise issue.