电容器串接电抗器之实际应用及问题讨论(1)

以一个十分典型的电力系统为例。由于电力系统在普通的情况是电理性加一小部份电阻性。在系统中为了无功补偿,而投入电容器的同时,由于电容器是电容性负载,因而投入电容器之后,在某一个频率时,电容器自身的电容性会与系统的电理性形成电容器自身与电力系统并联共振的问题。
    假如该系统有谐波污染,而这并联共振频率又刚好是谐波频率,或接近谐波频率,则此一谐波成份会因该电容器的电容性及系统的电理性并联共振而放大。

    这个被放大的谐波电流,会形成电力系统更严重的谐波污染,而且该放大的谐波电流同时形成电容器及该分路过电流过载。假如这个过载情形太严重,超越电容器所能接受,电容器可能会因而而毛病。

    电容器串接电抗器处理并联共振问题

    为了在有谐波负载的系统中,加装电容器组以到达无功的补偿,同时又能防止单纯装电容器时所形成的并联共振问题,先进电机所提出的处理办法,便是在电容器前再加装一只抗谐(De-tuned)电抗器。

    那么要串联多大的电抗器呢?针对各种不同的应用场所,专家们提出了许多倡议,譬如:选用该电抗器的阻抗为电容器阻抗绝对值的5.67%,6%,7%,13%,14%等等,

    在英文中,通常把此种电容器加装De-tuned电抗器之设备称为De-tunedFilter。

    至于应该选用几百分比的电抗率,则需求更进一步理解『应用场一切哪些谐波电流?』。

    在此需求特别把电容器及电抗器的阻抗公式列出

    电容器阻抗为Zc=1/(jωC)

    电抗器阻抗为ZL=jωL

    以电容器串接7%电抗器为例。假如以谐波产生源为基准,系统自身的阻抗乃为电理性及小部份的电阻性。而此一电容器+7%电抗器组的串联共振点在3.78次(频率为189Hz),其电容电抗器组之阻抗,在3.78次(189Hz)以下为电容性,在3.78次(189Hz)以上为电理性。

    在此一电容器+7%电抗器组投入系统中,依然会产生一个并联共振点,但该并联共振点绝对只会发作在于电容器+7%电抗器组为电容性的情形时,亦即该并联共振点绝对只会在3.78次(189Hz)以下,由于电容器+7%电抗器组在3.78次(189Hz)以下是为电容性负载。

    通常会产生大量谐波成份的6脉冲整流器负载,所产生的最主要谐波成份为所谓的特性谐波,亦即所谓的N=6n±1次谐波,n=1,2,3….。故在这种谐波成份中,最低频率者为5次(250Hz)谐波。而在此一例子当中,电容器+7%电抗器组仅会在3.78次(189Hz)以下,才会与系统产生并联共振。可是由于在此一系统中并无3.78次(189Hz)以下之谐波电流,故不会有谐波共振放大之现象。

    而在3.78次(189Hz)以上,因电容器+7%电抗器组为电理性负载,而系统也是电理性,故在3.78次(189Hz)以上并不会有并联共振的情形发作,故该特性谐波N=6n±1,n=1,2,3…,就不会有所谓并联共振而形成谐波共振放大的情形发作。

    而且值得一提的是,此一电容器+7%电抗器组,在第5次(250Hz)时的阻抗为电理性,而系统在第5次(250Hz)的阻抗也是电理性。因而5次谐波将会因欧姆定律,阻抗分流原理,一部份流入电容器+7%电抗器组中。7次以及更高次之谐波亦会依同样的原理,而会有一小部份会流入电容器+7%电抗器组中。因而,此一电容器+7%电抗器组,其实不只能够防止特性谐波的共振放大问题之外,并且由于分流原理,能够吸收一小部份5次及5次以上之谐波成份。因而它其实是有部份滤波的功用。

    当系统产生3次谐波时,则倡议电容器加装13%电抗器(串联共振点2.77次,139Hz)或14%电抗器(串联共振点2.67次(134Hz))或15%电抗器(串联共振点2.58次,129Hz)。如此即可避开3次谐波电流的共振放大。但是由于13%,14%或15%之电抗器的本钱远高于6%或7%电抗器,故除非真有相当多的3次谐波成份,否则绝大多数的情况,还是串接6%或7%之电抗器即可。

    以下为以400V,50Hz系统,补偿50KVAR,串接7%电抗器为例作为阐明。

    这样的设计当中该留意到的问题即是:

    电容器串接电抗器时,电容器之选用

    假如电容器串了7%的电抗器,而电抗器之阻抗向量与电容器之阻抗向量刚好相差180°。故跨于电容器之电压会比系统电压还高出(1/0.93)倍,(在此例为400V/0.93=430V)。且由于这样的设计会有一部份的谐波成份流入电容器+7%电抗器组中,故电容器的耐压须适度地思索以下几点而将其耐压适度的进步。而且在进步电容器耐压的同时,亦须思索到电容器的特性,须同时也进步电容器的容量,使该电容器在工作电压时能有适量的输出无功

    •系统电压变化

    •外加电抗器而形成的压升

    •部份谐波电流流入而形成的压升

    在这个例子中,电容器实践上是在430V工作,且电容器在430V工作时,需有50kvar/0.93=53.76kvar之无功输出。

    在系统电压亦有可能变化的思索之下,通常倡议电容器的电压至少选用440V或480V。

    因Qc=ωCV*V,电容器输出容量正比于电压的平方倍

    若选用440V电容器,则电容器容量须为

    53.76kvar*(440V/430V)*(440V/430V)=56.27kvar,约等于56kvar

    若选用480V电容器,则电容器容量须为

    53.76kvar*(480V/430V)*(480V/430V)=66.96kvar,约等于67kvar

    电容器串接电抗器时,电抗器之选用

    而因上述电容器+7%电抗器的组合,思索以下几个重点

    1.在电力系统有6n±1次谐波存在时,该5,7,11,13….次谐波会也由于欧姆定律而流进入电容器+7%电抗器的组合。
 

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