谐波与电容器

小。但模拟结果表明对于某些配置的电容柜，电容柜中元件承受的谐波电流和电压畸变率极有可 能超过允许值。这将不可避免地降低电网上所有设备的寿命或可能产生其它技术问题。
上述仿真计算清楚表明：虽然初始时谐波量尚可以接受，但当普通电容器联接到有谐波的电网上就可能 会导致严重后果。
- 从这个观点来看：普通电容器未联接到电网上时如果电压谐波总畸变率 THDv 已经很高了（例 如. ≥ 5%），推荐使用失谐电容器
1．电容器和谐波分量：IEC 标准
ABB 电容柜中的电容器符合 IEC 60831-1 [1] 和 IEC 60831-2 [2]标准. 当电网中存在谐波时，电容器可
承受以下最大允许电流负荷：
A. 在额定正弦电压额定频率下，单台电容器必须可在 1.3 倍均方根线电流下连续工作（不包含瞬
态）。此电流过流系数考虑到谐波和过电压的综合效果。
表 3 可见：虽然工厂里没有谐波负载，甚至初始电网畸变率在允许范围内，工厂中的设备还是承 受了相当大的谐波分量。虽然没有联接电容器时电网谐波电压总畸变率是 5％，但投入电容引发 共振后竟达到 8％。由于谐波电压总畸变率增加，敏感的电子设备可能出现故障。再者可见电容 柜中电容电流增加到 125％（短期），但还在 IEC 60831-2 规定的限值之内。
2．普通电容器联接到有谐波的电网
当普通电容器联接到存在谐波的电网上，如果电容器容抗和电网感抗产生共振频率接近谐波频率，就存 在共振的危险。普通电容器联接到电网上产生的共振频率可用公式 1 计算。
f r = ffundamental ⋅
Ssc Q reactive_power
(1)
fr
:
ffundamental :
B. 在存在谐波的情况下最大允许持续电压需满足此时电流不超过上述 A 条中的最大电流。
当电网中的谐波和间谐波符合 IEC 61000-2-2 [3]的限值要求时，IEC 60838-1 进一步要求电容器可以连
续工作。IEC 61000-2-2 的规定限值见表 1。
。
表 1：低压电网中各次谐波电压允许值
投入电容组
共振频率
功率因数
包含谐波的电容电流a
数
fr [Hz]
DPF [-]
[%]
0 (0 kvar)
-
0.7
-
1 (25 kvar) 1050 (近 21st.)
0.75
100
2 (50 kvar) 740 (近 15th.)
0.79
100
3 (75 kvar) 603 (近 12th)
0.84
100
- 如装置中有对谐波敏感设备，电压谐波总畸变率 THDv 不应超过 5%。如果有谐波（例如没有联 接电容器时 THDv ≥ 2%），更谨慎的方法就是使用失谐电容柜以避免由于共振放大使 THDv 超 过 5％，在装置内部潜在地造成损害。
- 如在有谐波的电网中使用加强型普通电容器，必须注意虽然电容器可以承受更多电流，但因共 振抬高的 THDv 可能会损坏同一母线上其它设备。因此我们并不推荐使用加强型普通电容器。
0.75
6
122
2 (50 kvar)
7wk.baidu.com0 (近 15th )
0.79
7
124
3 (75 kvar)
603 (近 12th)
0.84
8
125
4 (100 kvar) 522 (近 11th)
0.89
8
119
5 (125 kvar) 467 (近 9th)
0.93
8
115
a 包含谐波的电容电流与电容额定电流的比率。电容额定电流为 100％ b 在数学模型中，已使用限流阻尼。如果电网中阻尼更高，那么电容电流更低.
（IEC 61000-2-2 中的值表示各次谐波的均方根值占基波均方根值的百分比）
非 3 整数倍的奇次谐波
3 a整数倍的奇次谐波
偶次谐波
谐波次数
谐波电压
谐波次数
谐波电压
谐波次数
谐波电压
h
%
h
%
h
%
5
6
3
5
2
2
7
5
9
1.5
4
1
11
3.5
15
0.4
6
0.5
13
3
21
0.3
8
0.5
17 ≤ h ≤ 49
2.27x(17/h)-0.27 21 < h ≤ 45
Ssc
:
Qreactive_power:
共振频率 电网基频 电容器联接点的短路容量，通常接近于馈线变压器的短路容量 联接到电网的容性无功功率
如果共振频率接近谐波频率将会引起共振，放大电网谐波畸变，增加电容柜谐波分量。
例子：
假定 5 组 25 kvar普通电容器构成一电容柜。电容柜联接到 400 V/50 Hz电网。馈线变压器变比 15 kV/400 V, SN = 600 kVA, ucc = 5.5 %。中压电网UMV = 15 kV ，SSC = 100 MVA（公共连接点）。可以 忽略电网自身畸变，电网电压水平稳定在额定值。工厂里主要负荷是一台 200 kW电机。电容柜设定在 自动补偿模式，目标功率因数 0.92。
0.2
10 ≤ h ≤ 50
0.25x(10/h)+0.25
a: 3 整数倍的奇次谐波的限值适用于零序分量。在没有零线或没有负载连接在相线和零线之间的三相电网中，根
据系统的不平衡度，3 次和 9 次谐波数值可能远小于表中的限值。
表中的允许值是指准稳态和稳态下的谐波，供长期运行参考。谐波电压总畸变率允许值为 8％。
表 4：负荷产生谐波情况下投入普通电容柜：共振频率，功率因数，谐波电压总畸变率和电容柜
电流
投入电容组 数
共振频率fr [Hz]
功率因数 DPF [-]
谐波电压总畸变 包含谐波的电容电
率 THDv
流a,b [%]
[%]
0 (0 kvar)
-
0.7
7
-
1 (25 kvar)
1050 (21st order approx.) 0.75
Ö 第 2 步：电网自身有畸变，负荷不产生谐波 下一步假设：联接在同一中压电网中的其它工厂引起的畸变污染了供电电网。假定电容柜没有联接在 电网时，谐波电压总畸变率约 5％。表 3 显示电网自身有畸变时投入电容柜补偿电机负荷，此时的共 振频率和电网功率因数，谐波电压总畸变率，以电容额定电流百分比表示单台电容电流。同时假设电 网电压保持额定值恒定。
备注： 1．虽然 IEC 61000-2-2 适用在低压电网的公共连接点（在许多案例中大用户拥有自己的中压/低压变压 器，此时标准并不适用），其规定的限值和 IEC61000-2-12 [4]以及 IEC 61000-2-4 [5]中 2 类电磁环境 相同。IEC61000-2-12 适用在中压电网的公共连接点。IEC 61000-2-4 中 2 类电磁环境适用在低频干扰 的工厂，通常指工业中‘正常’电源和没有联接‘敏感’负载的其它非公共电网。 2. IEC 标准通常允许在公共连接点谐波电压总畸变率 THDv 8％。这与 IEEE 519 [6]规定 69 kV 以下电 网公共连接点谐波电压总畸变率 THDv 小于 5％（各次谐波分量限值 3％）不一致。另一个被广泛接受 的英国 G5/4[7]标准也规定 THDv 小于 5％。通常认为，虽然 8％的电压畸变率对于传统（工业）装置
来讲是可以接受的；但对于敏感的电脑或控制类负载来讲显的太高了。因此 IEC 61000-2-4 将对电源干 扰十分敏感的设备如某些电脑，某些自动化和保护设备以及实验室中电气装置定义为 1 类电磁环境。对 于 1 类电磁环境，IEC 61000-2-4 规定 THDv 允许值 5％。 3．对于公共电网，表 1 的限值是指在公共连接点的允许值。公共连接点反映了联接在电网上的所有负 荷。请注意 IEC 61000-3-6 和 IEC 61000-3-7 技术报告建议供电部门采取措施限制单个装置和大负荷的 谐波发射。
Abstract： This document aims to respond to customer requests regarding which type of capacitor bank should/may be used under which harmonic network conditions. This report proposes the associations of these product types to harmonic network conditions based on simulations and on information that may be found in standards and gives an overview of the generic ABB Jumet capacitor bank product range. Key word: plain capacitors，reactor，point of common coupling (PCC) ，harmonic，total harmonic voltage distortion (THDv)，Resonance frequency
表 3：供电电网有谐波畸变情况下投入普通电容柜：共振频率，功率因数，谐波电压总畸变率和
电容柜电流
投入电容组
共振频率
功率因数 谐波电压总畸变 包含谐波的电容电
数
fr [Hz]
DPF [-]
率 THDv[%]
流a,b [%]
0 (0 kvar)
-
0.7
5
-
1 (25 kvar)
1050 (近 21st )
17
325
2 (50 kvar)
740 (15th order approx.) 0.79
15
216
3 (75 kvar)
603 (12th order approx.) 0.84
21
247
4 (100 kvar) 522 (11th order approx.) 0.89
12
156
5 (125 kvar) 467 (9th order approx.) 0.93
4 (100 kvar) 522 (近 11th)
0.89
100
5 (125 kvar) 467 (近 9th)
0.93
100
a 包含谐波的电容电流与电容额定电流的比率。电容额定电流为 100％
从表 2 可以得出，投入电容过程中共振频率会相应改变。在本例中假定供电电网自身没有谐波， 工厂负荷也不产生谐波，因此电容柜中无电流谐波。投入 5 组电容后，达到目标功率因数。
Ö 第 3 步：电网自身没有畸变，负荷产生谐波 最后用六脉冲直流变频器和电机组合替代前例中的电机。此类负荷典型功率因数 0.7。在本例中，变 频器启动后负荷产生的典型谐波为(6⋅k±1) 次 k = 1,2,3, …,即 5, 7, 11, 13, …假定电网自身谐波可以忽 略。变频器启动，每间隔 40S 投入电容器以补偿变频器的无功功率。在负荷产生谐波的情况下，表 4 显示投入电容组数，相应的共振频率和电网功率因数，谐波电压总畸变率，以电容额定电流百分比表 示单台电容电流。
10
130
a 包含谐波的电容电流与电容额定电流的比率。电容额定电流为 100％
b 在数学模型中，已使用限流阻尼。实际上电网中的阻尼可能会更高，那样电容电流和谐波电压总畸变
率增加得更少
表 4 可见：当不投入电容柜时，谐波电压总畸变率 THDv 符合 IEC 61000-2-4 中 2 类电磁环境的 门限(THDv < 8%). 2 类电磁环境包含普通工业设备。当投入电容器引起谐振，谐波电压总畸变率 THDv 和电容器电流均达到难以承受的程度，造成已投入电容器上极大的谐波电流。当投入所有 电容器，THDv 达到 10％，电容器电流达到 130％。本模拟计算中采用的数学模型使用的阻尼较 小，实际上因为其它负载的存在，阻尼会更大。那样的话，电容电流和 THDv 增加值会比表 4 要
Ö 第 1 步：电网自身没有畸变，负荷不产生谐波 电机启动后功率因数下降到 0.7。负载不产生谐波。电容柜每间隔 40 s 投入电容器，直到达到目标功 率因数。表 2 显示投入电容组数，相应的共振频率和电网功率因数，以电容额定电流百分比表示的单 台电容电流。
表 2：在没有谐波情况下投入普通电容柜：共振频率，功率因数，电容电流
谐波污染电网中补偿电容器选用原则
Kurt Schipman （ABB Jumet S.A.）刘骏（ABB 中国有限公司）
摘要：本文用于回答用户在谐波污染电网中应使用何种形式的电容柜。根据仿真计算和规范标准，提
出了适用于谐波电网的电容柜类型,最后总体介绍了通用的 ABB Jumet 电容柜产品系列.
关键词：普通电容器，电抗器，公共联接点，谐波，谐波电压总畸变率，共振频率