一、    前言

在筆者所接觸的低壓配電施工圖中，發現施工圖中有一個共性，那就是配電變壓器低壓側母線上均接入無功補償電容器柜。但令人費解的是，所串電抗器無任何規格要求，無技術參數的注明，只是在圖中畫了一個電抗器的符號而已。而所標電容器的容量，也只是電容器銘牌容量而已，實際運行時，最大能補償多少無功功率，也不得而知。

應引起注意的是，電抗器與電容器不能隨意組合，它要根據所處低壓電網負荷情況，變壓器容量，用電設備的性質，所產生諧波的種類及各次諧波含量，應要進行諧波測量后，才能對癥下藥，決定電抗器如何選擇。但往往是低壓配電與電容補償同期進行，根本無法先進行諧波測量，然后進行電抗器的選擇。退一步說，即使電網投入運行，進行諧波測量，但用電設備是變動的，電網結構也是變化的，造成諧波的次數及大小有其隨意性，復雜性。因此正確選用電容器所用的串聯電抗器也成為疑難問題，這無疑是一個比較復雜的系統工程，不是隨便一個電抗器的符號或口頭說明要加電抗器那么簡單了。不得隨意配合，否則適得其反，造成諧波放大，嚴重時會引發諧振，危及電容器及系統安全，而且浪費了投資。有鑒于此，筆者對如何正確選用電容器串聯電抗器的問題，將本人研究的一點心得，撰寫成文，以候教于高明。

二、    電力系統諧波分析及諧波危害

電力系統產生諧波的原因主要是用電設備的非線性特點。所謂非線性，即所施電壓與其通過的電流非線性關系。例如變壓器的勵磁回路，當變壓器的鐵芯過飽和時，勵磁曲線是非正弦的。當電壓為正弦波時，勵磁電流為非正弦波，即尖頂波，它含有各次諧波。非線性負載的還有各種整流裝置，電力機車的整流設備，電弧煉鋼爐，EPS，UPS及各種逆變器等。目前辦公室里電子設備很多，這里存在開關電源及整流裝置，其電流成分也包含有各次諧波，另外辦公場所日光燈及車間內各種照明用的氣體放電燈，它們也是諧波電流的制造者。日光燈鐵芯鎮流器及過電壓運行的電機也是諧波制造者。

目前所用的配電變壓器高壓側多接成“Δ”型，這樣三次諧波因相序相同，即零序的感應的三次諧波電流在三角形繞組內環流，不易竄入電網。磁路過飽和而產生的諧波類似六脈動整流回路，主要產生6K±1次諧波，多為5次，7次，11次等。據有關人員實測表明，電力機車及電弧爐供電系統3次諧波較多，而辦公樓及普通工廠車間5次與7次諧波為主。由于低壓配電不涉及電弧爐及電力機車，這樣矛盾的焦點集中于5次諧波治理抑制上了。

諧波造成的設備過載及線路損耗增加，降低了輸電能力，高次諧波電流又引起系統電壓畸變，從而影響其它設備的正常工作。

對于低壓電網的補償用電力電容器，危害更為嚴重。深圳某電子廠，由于低壓電網諧波，接入的并聯補償電容器，運行不到一周，皆鼓肚損害，其接頭及投切用接觸器接線端子燒蝕熔化冒火，電氣值班人員只得采用電氣用手提滅火設備進行滅火，然后退出運行。電容器生產廠家親赴現場用諧波測試儀實測，結果證實是諧波嚴重造成，而非電容器質量所致。

三、    串聯電抗器的作用

低壓電網并聯電容器補償回路串聯電抗器的作用

電抗器作用為：

1)  限制電容器投入時合閘涌流

當電容器投入的瞬間，由于電容器無充電，無反向電勢，合閘瞬間，如同短路，只有線路的阻抗起限制電流作用，因此瞬時電流可達額定電流的百倍以上，不過時間短促，僅持續毫秒或微秒級。由于接入電網的電容器為多組組合，當投入或切除任一組電容器時，其它運行的電容器會向投切電容器進行充放電，這也是俗稱的電容器組背對背效應，增加了電容器的投切困難。盡管目前采用電容器投切專用接觸器，此接觸器帶有操作時接入的過渡電阻進行限流，但還是經常損壞接觸器，電容器柜內投切用接觸器可謂十足的易損元件了。

2)  防止電網諧波放大及諧振的發生

3)  限制操作過電壓

4)  限制短路電流

當電容器發生短路故障時，能限制系統向電容器短路點注入短路電流。當系統其它地方發生短路或電抗器電源側發生短路時，能限制電容器向系統的反饋電流。

5)  抑制流向電容器的高次諧波，使之不使電容器過電流損壞。

眾所周知，諧波次數越高，電容器呈現的阻抗越低，這樣造成大量諧波電流涌入。若不采取措施，如對電網采取諧波控制或串聯電抗器，電容器很難勝無功補償作用，很快由于涌波涌入造成過流而損壞。

6)  對某次諧波來說，串聯電抗器與電容器的組合，只要合理搭配，可起到濾除部分某次諧波的作用。

需要指出的，濾除某次部分諧波，只是補償回路的一點附加作用，絕不能作為濾波器使用，否則，則影響了無功補償的初衷。

有人會疑問，不是防止電容器過流，要限制電容器諧波涌入嗎，怎么又允許某次諧波容易涌入呢？問題很容易解答，電容器允許使用在電流達1.35倍額定電流下長期工作，可充分挖掘這部分潛力，讓它兼有一點濾波的作用。另外，電抗器與電容器要合理搭配，不得使電抗器與電容器發生串聯諧波，使之回路電流達到短路電流水平而損壞元件的設備，也不能使電抗器與電容器串聯回路呈容性，以便防止回路與系統感抗發生并聯諧振而使諧波被放大污染系統。

四、    串聯電抗器的正確選擇

要正確選用電抗器，首先要了解所在電網諧波情況，或經測量（這對新建單位是不現實的）或根據電網結構，用電設備情況，預測電網諧波情況，然后再決定電抗器的參數。電抗器選擇原則是，若想兼有濾除某次諧波作用，應使電抗與電容接近串聯諧振，而達到諧振的條件是電抗與容抗相等，即nXL=Xc/n ,XL=Xc/n2 式中，n為諧波次數，XL·Xc為電抗器與電容器工頻電抗。

1.  如果電網清潔，各高次諧波含量很少，可選擇電抗率K為0.1%-1%。這樣，電抗體積小，成本低，但能限制合閘涌流為額定電流的10倍以內。

2.  如果電網3次諧波突出，除限制涌流外，尚能濾除部分3次諧波，以便清潔電網。選擇的原則是，即使電容電抗接近諧振，但不能達到諧振。

如果達到諧振，對3次諧波而言，

3XL=Xc/3, XL=Xc/9=0.111Xc

對于5次諧波XL=Xc/25=0.04Xc

對于7次諧波XL=Xc/49=0.0204Xc

對于9次諧波XL=Xc/81=0.012Xc

對于11次諧波XL=Xc/121=0.0083Xc

上述各式中，XL及Xc為基波（工頻）情況下，電抗器及電容器的阻抗。滿足上述條件是電抗與電容發生諧振的條件，選用時以不得發生諧振為前提，但不使諧波被放大，應使回路呈感性。

現引入一個參數，即電抗率K，它是串聯回路的電抗器的電抗與電容器的容抗之比的百分數，即K=XL/XC%

由此可見，發生串聯諧振時，分別對3次，5次，7次，9次及11次諧波，電抗率分別為11.1%，4%，2.04%，1.2%及0.83%。

但選擇電抗器電抗率時，不但要接近諧振頻率，還要使回路呈感性。這樣一來，若電網3次諧波突出，選電抗率K為12%-13%。若5次諧波突出，選K為4.5%-7%。若5次與3次均突出，選取電容器組分別串電抗率K為4.5%-7%及12%-13%的電抗器。

至于電抗器的容量，它等于所串電容器容量乘以電抗率，即QL=KQC。一般說來，只要給出所接電容器容量及額定電壓，及要求的電抗器電抗率。至于電抗器額定絕緣電壓、容量及額定電流等參數，由電抗器制造廠自行合理地解決了，不必要求用戶提供其它要求參數。

五、    串入電抗器后，電容器端電壓及補償容量的變化

由于系統電壓不變，而電抗器壓降又與電容器上壓降剛好相位相反，這樣必然造成電容器端電壓升高。由于電抗率是電抗器電抗值與電容器容抗值之比的百分數，電抗器上的壓降必然為電容器上的壓降乘以電抗率了。

即Uc-UL=UN (Uc,UL,UN分別為電容器，電抗器及系統電壓) 

  Uc-kUc=UN

  Uc(1-k)=UN

  Uc=UN/(1-k)

由此可見，串電抗后，電容器電壓升高非1+k倍，而是1/（1-k），這樣，串入電抗后，電容器端電壓升高，其升高倍數如表所示。

由于電抗器吸收電容器所產生的無功補償功率，造成電容器向電網無功補償能力減弱。由于串電抗造成電容器端電壓升高，必須采用適合此電壓的電容器，即選用較高電壓等級的電容器。這樣組合下來，實際電壓又不一定正巧與所選電容器額定電壓一級，一般都小于電容器額定電壓。由于電容器在小于額定電壓下運行，實際補償容量又低于電容器銘牌所標容量，真是一環扣一環，是一個比較復雜的系統工程了。為說明上述問題，現舉例如下：

某項目，系統電壓UN=400v.每回路補償電容器為30Kvar，串入電抗率K=7%，求：電容器運行時實際電壓，如何選擇電容器額定電壓及實際補償容量。計算步驟為：

1)  電容器實際承受電壓Uc=UN/(1-k)=400/(1-7%)=430v

選擇電容器額定電壓為480v（選440v，450v的也能滿足要求），電抗器實際壓降為UL=430v-400v=30v，或UL=kUc=7%*430=30v。

2)  額定電壓480v電容器，實際承受電壓為430v，實際生產的無功功率為額定無功的（430/480）2=0.8025倍。自身發出的無功Q=30*0.8025=24.075（Kvar）

3)  電抗器吸收電容器發出的無功功率的7%

4)  電容器實際向電網發出額定功率的0.8025*（1-7%）=0.7463倍，即30*0.7463=22.39（Kvar）

5)  電容器串入電抗器后實際電流

如上述的例子，30Kvar電容器，額定電壓480v，額定電流為IN=30/(*0.48)=36.1A.實際運行時，承受電壓為430v。

實際電流為I=IN*(430/480)=36.1*(430/480)=32.3A

或者I=Q/(*0.43)=24.075/(*0.43)=32.3A

這樣，選擇回路導體及投切元件只能按32.3A選擇，不能按系統電壓400V，電容器30Kvar求得。對于額定電壓400V，容量30Kvar的電容器，其電流都為I=30/(*0.4)=43.3A.

通過上述事例，可以看出串電抗器并聯補償電容器回路，各參數要通過計算求得。到底補償多少，有沒有達到設計要求，要有明確的交代。目前設計單位只要求電抗器，其它不再過問，即電氣成套廠更加隨意，為節約投資，電抗率選用電抗率寧低勿高，寧選鐵芯電抗器而不選空芯電抗器。電容器柜銘牌上的補償容量按各電容器銘牌容量之和，這樣一樣來和實際情況差別太遠了。

六、    嚴防補償電容器對諧波放大

接入母線的無功補償用電容器，電容電抗系統能與電力系統組成并聯諧振回路。如果某次諧波電流頻率，電容電抗會流過很大的諧振電流，可達原有電網諧波電流數十倍，電容器端電壓也產生很高過電壓，此種情況稱為諧波放大。

當系統存在諧波時，并聯補償用電容器支路串入電抗器，而系統若忽略電阻，則安全呈感性，可用等效電感表示。等效電路圖見圖一。

圖一. 等效阻抗圖

圖中In為系統某次諧波電流，也看作由一恒流源發出，L2為系統等值電感，L1為電容器所串電抗器電感，C為補償電容的電容。流入系統的諧波電流為Ins，流入電容器的諧波電流為Ins，由此可得

Ins=In*（jωL1+1/jωc）/(jωL1+1/jωc+jωL2)

  =In/﹛1-[ωL2/﹙1/ωc-ωL1﹚]﹜

如果ωL2/(1/ωc-ωL1)=1時，Ins→∞

即1/ωc-ωL1=ωL2時，進入系統的某次諧波被放大至無窮大。

L2是系統參數，不能人為變動，為避免諧波被放大，所選電容器與所串電抗器參數應合理搭配。從上式也可看出，只要1/ωc-ωL1 ﹤0，即電容器串聯電抗器回路只要對某次諧波呈感性，此諧波就不會被放大進入系統，流入系統的諧波小于原有系統存在的諧波，也就是說，串聯電抗器回路有對某次諧波的吸收功能。當然，不希望各次諧波均涌入電容器，把電感電容回路當成濾波器，否則電容器容易燒壞，從而喪失無功補償功能，不要忘記，此時電容器主要承擔系統無功補償功能。