并联电容器装置和谐波之间的互相影响(设计须知)
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第3.2章 并联电容器 装置对系统背景谐波的影响
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第3.2章 并联电容器 装置对系统背景谐波的影响
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第3.2章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
由该曲线可知，当串联电抗器的电抗率为 11.1% 时，电容器组会发生3次谐波串联谐振，大量吸收 3次谐波；当电抗率小于11.1%时电容器组对3次谐 波呈容性，存在与系统发生并联谐振，严重放大3 次谐波的可能性；当电抗率大于11.1%时电容器组 对 3 次及以上频率谐波呈感性，不存在在 3 次及以 上谐波频率下与系统发生并联谐振的可能。所以当 系Βιβλιοθήκη Baidu背景谐波以3次为主时，（接下页 ）
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第4.2章 工程计算实例
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第4.2章 工程计算实例
很明显在同样能满足抑制5次及以上频率谐波的前提下， 选择电抗率为 4.5%的串联电抗器不但能节约成本、 提高电容器组实际无功出力，还可以明显降低对3次 谐波的放大倍数。
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第4.1章 工程计算实例
1 、首先根据下式确定补偿总容量约 8Mvar ，等 容量分4组，每组容量为2Mvar
1 1 Q p cos 2 1 cos 2 1 1 2
Q： 需要的电容器容量 P： 补偿地点的有功功率 cos￠1：补偿前的功率因数 cos￠2：期望达到的功率因数
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第 1 章 概述
• 并联电容器装置和谐波之间的互相影响可以总结 为：在谐波环境下并联电容器装置可能造成系统 局部谐振，谐振产生的过电压或过电流反过来影 响电容器组的稳定运行。 • 本文主要对并联电容器装置（以下称电容器组） 和谐波之间的互相影响进行探讨，顺便提及谐波 畸变对系统设备的影响，然后以水泥厂6脉波三相 变流设备（整流设备和变频设备）为例进行案例 分析，同时提出水泥厂用并联电容器装置串联电 抗器的选择方案。
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第3.2章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
2、在某次谐波频率下，电容器容抗与串联电抗器感 抗相等时，电容器组便会发生串联谐振。发生串联 谐振时，在谐振频率下电容器组的阻抗远远小于系 统阻抗，谐波电流大量涌入电容器组，很容易造成 电容器组故障。配置不同电抗率的串联电抗器，电 容器组在某次谐波频率下发生串联谐振时的阻抗特 性曲线见下页。
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第5.2章
电压、电流畸变对系统造 成的影响
2、绝缘应力效应 电压畸变还可以使电压峰值增大，忽略相位差，峰值电压 的增大值等于电压峰值系数，这种电压峰值升高会导致 系统设备绝缘应力升高。峰值电压对于对电压峰值敏感 的电容器、电缆等设备来说，就意味着绝缘击穿，给企 业造成不必要的麻烦。
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第5.3章
电压、电流畸变对系统造 成的影响
3.4电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到 正确指示及计量，会给供、用电企业造成不同承度的损 失。
3.5谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信 号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的 清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。
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第4.2章 工程计算实例
合闸涌流倍数的计算公式如下 ：
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第4.3章 工程计算实例
将所有参数带入该式，保证电容器组单组投运时的合闸涌 流和多组背靠背投运时的追加合闸涌流低于20倍额定电流。
3、根据QC=Sd（1/n2-k）可知电容器组与系统发生3次谐 波并联谐振时的谐振容量为6.61Mvar，上述配置完全满足 躲开谐振容量的要求。
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第5.3章
电压、电流畸变对系统造 成的影响
3.2 影响保护:3n次谐波表现为零序，其表现出的零序电压 将严重影响零序保护的正常工作；2+3n次谐波表现为 负序，它的存在将严重影响负序保护的正常工作。 3.3 影响断路器的开断能力:断路器开断谐波含量较高的电 流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃， 发生短路，甚至断路器爆炸。
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第4.5章 工程计算实例
5、根据并联分流得出下式计算流入各补偿支路 的谐波电流值：
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第4.5章 工程计算实例
为保证各补偿支路过电流水平低于1.3倍额 定电流，必须保证每条补偿支路的电流总畸变 率低于83.066%。
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第5.1章
1.热应力效应
电压、电流畸变对系统造 成的影响
1.1磁滞损耗：铁芯设备的磁滞损耗可以下式表示 Ph=ηfB max 1.6V *10 -3 ,由此式可见设备的磁滞损耗 跟电流频率是成正比的。 1.2涡流损耗：铁芯设备的涡流损耗可以下式表示 Pe=ηf2Bmax2V*10-3，由此式可见设备的涡流损耗跟 电流频率的平方成正比。
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第4.4章 工程计算实例
4、 5次、7次、11次谐波电流估算值：
I5=2×100×0.3/5=12A， I7=2×100×0.3/7=4.29A， I11=2×100×0.75/11=13.64A 各次谐波电流值均满足GB/T14549-93《电能质量•公用 电网谐波》的要求。
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kvar Kw
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第4.2章 工程计算实例
2、串联电抗器电抗率的确定：该系统背景谐波以 5次、 7次、11次和13次为主，变压器等铁磁设备产生的3次 为辅，故电容器组的配置应该以抑制 5 次及以上频率 谐波同时防止 3 次谐波被严重放大为原则。根据下式 分别计算当配置串联电抗器电抗率为6%、5%、4.5% 时电容器组对3次谐波的放大倍数分别为1.64倍、1.49 倍、1.43倍。
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第3.1章 并联电容器 装置对系统背景谐波的影响
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第3.1章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
由此可见，单组电容器或多组电容器组合投切时，应 避开谐振容量，防止电容器组对系统某次背景谐波严 重放大。可按照以下式进行计算： QC=Sd（1/n2-k） 计算出QC后，可按照下式进行验算： h<√〔 Xc/( XL+Xs) 〕
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第5.3章
电压、电流畸变对系统造 成的影响
3、负载设备不正常运行 3.1 噪声增大:对于变压器等铁磁设备来说，谐波产生的 磁场与基波磁场相互作用而产生脉动转矩。这些脉动 转矩造成了更大的可闻噪声，严重影响设备的正常运 行。同样，谐波电流进入电容器组后会使电容器组的 介质损耗加快，谐波电流产生的电场与基波产生的电 场相互左右，引起电容器组的发热和运行噪声。
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第3.1章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
并联电容器装置对系统背景谐波的影响主要有 两方面 ：
1、当电容器组与系统发生并联谐振时，在谐振频率 （及附近频率）使谐波源遇到高阻抗，由于大部分谐 波源都可以看做谐波电流源，所以会使谐波电压升高， 同时使各并联支路的谐波电流增大。发生并联谐振时 的阻抗特性曲线图见下页。
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第3.2章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
需串联电抗率大于11.1%的电抗器以抑制3次及以上 频率谐波工程上一般将电抗率选择为12%∽13%。 为 节 省 投 资 ， 有 时 也 会 采 用 将 电 抗 率 为 12% 和 4.5%混装的形式，但碍于投切顺序的限制，较少 采用。发生5次谐波串联谐振时的串联电抗器电抗 率为4%，所以抑制5次及以上频率谐波时，需串联 电抗率大于 4%的串联电抗器，工程上一般将电抗 率选择为 4.5%∽5%。
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第5.1章
电压、电流畸变对系统造 成的影响
1.3铜损 忽略谐波引起的集肤效应由谐波引起的设备铜损增加率 可以下式表示ΔPRpu=ΔPR/PR1=THDi2。 综上所述，由于电流的畸变，该站系统设备的损耗同比大 大增加。再加上无功功率就地不平衡，谐波引起的集肤 效应等因素，系统综合损耗长期居高不下。且这种损耗 带来的热应力消应会大大减小系统设备的寿命，给企业 带来不必要的损失
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第2章 系统高次谐波对并联电容器 装置的影响
系统高次谐波对并联电容器装置的影响主要表现：当 系统发生电压畸变时，电容器电介质损耗会明显增大。 2 电容器电介质的总损耗可以表示为Σ2πfn(tanε)Vn ，式中 tanε为电容器电介质损耗正切角。 由此可以看出电容器电介质的总损耗与谐波频率和谐 波电压值的平方成正比。长期工作在谐波环境下的电容 器组，电容器容量下降速度加快，电容器本身发热严重， 使用寿命也会受到较大影响。
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第4章 工程计算实例
探讨一个采用 6 脉波三相变流设备的水泥厂。某 水泥厂， 10kV 母线短路容量为 100MVA ，系统总 有功功率为 12MW ，综合自然功率因数为 0.7 ，负 载侧谐波源为2台6脉波交-直-交变频器（额定电流 为100A），要在10kV母线装设一套无功补偿装置， 要求等容量分4组自动投切，设备投运后的目标功 率因数为0.94，试进行配置。
并联电容器装置和谐波之间的互相影响
技术交流
济南迪生电子电气有限公司 二○○九年八月
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目录
• 第1章 概述 • 第2章 系统高次谐波对并联电容器装置的影响 • 第3章 并联电容器装置对系统背景谐波的影响
• 第4章 工程计算实例
• 第5章 电压、电流畸变对系统造成的影响
第3.2章 并联电容器 装置对系统背景谐波的影响
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第3.2章 并联电容器 装置对系统背景谐波的影响
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第3.2章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
由该曲线可知，当串联电抗器的电抗率为 11.1% 时，电容器组会发生3次谐波串联谐振，大量吸收 3次谐波；当电抗率小于11.1%时电容器组对3次谐 波呈容性，存在与系统发生并联谐振，严重放大3 次谐波的可能性；当电抗率大于11.1%时电容器组 对 3 次及以上频率谐波呈感性，不存在在 3 次及以 上谐波频率下与系统发生并联谐振的可能。所以当 系Βιβλιοθήκη Baidu背景谐波以3次为主时，（接下页 ）
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第4.2章 工程计算实例
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第4.2章 工程计算实例
很明显在同样能满足抑制5次及以上频率谐波的前提下， 选择电抗率为 4.5%的串联电抗器不但能节约成本、 提高电容器组实际无功出力，还可以明显降低对3次 谐波的放大倍数。
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第4.1章 工程计算实例
1 、首先根据下式确定补偿总容量约 8Mvar ，等 容量分4组，每组容量为2Mvar
1 1 Q p cos 2 1 cos 2 1 1 2
Q： 需要的电容器容量 P： 补偿地点的有功功率 cos￠1：补偿前的功率因数 cos￠2：期望达到的功率因数
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第 1 章 概述
• 并联电容器装置和谐波之间的互相影响可以总结 为：在谐波环境下并联电容器装置可能造成系统 局部谐振，谐振产生的过电压或过电流反过来影 响电容器组的稳定运行。 • 本文主要对并联电容器装置（以下称电容器组） 和谐波之间的互相影响进行探讨，顺便提及谐波 畸变对系统设备的影响，然后以水泥厂6脉波三相 变流设备（整流设备和变频设备）为例进行案例 分析，同时提出水泥厂用并联电容器装置串联电 抗器的选择方案。
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第3.2章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
2、在某次谐波频率下，电容器容抗与串联电抗器感 抗相等时，电容器组便会发生串联谐振。发生串联 谐振时，在谐振频率下电容器组的阻抗远远小于系 统阻抗，谐波电流大量涌入电容器组，很容易造成 电容器组故障。配置不同电抗率的串联电抗器，电 容器组在某次谐波频率下发生串联谐振时的阻抗特 性曲线见下页。
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第5.2章
电压、电流畸变对系统造 成的影响
2、绝缘应力效应 电压畸变还可以使电压峰值增大，忽略相位差，峰值电压 的增大值等于电压峰值系数，这种电压峰值升高会导致 系统设备绝缘应力升高。峰值电压对于对电压峰值敏感 的电容器、电缆等设备来说，就意味着绝缘击穿，给企 业造成不必要的麻烦。
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电压、电流畸变对系统造 成的影响
3.4电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到 正确指示及计量，会给供、用电企业造成不同承度的损 失。
3.5谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信 号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的 清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。
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第4.2章 工程计算实例
合闸涌流倍数的计算公式如下 ：
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将所有参数带入该式，保证电容器组单组投运时的合闸涌 流和多组背靠背投运时的追加合闸涌流低于20倍额定电流。
3、根据QC=Sd（1/n2-k）可知电容器组与系统发生3次谐 波并联谐振时的谐振容量为6.61Mvar，上述配置完全满足 躲开谐振容量的要求。
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电压、电流畸变对系统造 成的影响
3.2 影响保护:3n次谐波表现为零序，其表现出的零序电压 将严重影响零序保护的正常工作；2+3n次谐波表现为 负序，它的存在将严重影响负序保护的正常工作。 3.3 影响断路器的开断能力:断路器开断谐波含量较高的电 流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃， 发生短路，甚至断路器爆炸。
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5、根据并联分流得出下式计算流入各补偿支路 的谐波电流值：
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为保证各补偿支路过电流水平低于1.3倍额 定电流，必须保证每条补偿支路的电流总畸变 率低于83.066%。
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1.热应力效应
电压、电流畸变对系统造 成的影响
1.1磁滞损耗：铁芯设备的磁滞损耗可以下式表示 Ph=ηfB max 1.6V *10 -3 ,由此式可见设备的磁滞损耗 跟电流频率是成正比的。 1.2涡流损耗：铁芯设备的涡流损耗可以下式表示 Pe=ηf2Bmax2V*10-3，由此式可见设备的涡流损耗跟 电流频率的平方成正比。
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4、 5次、7次、11次谐波电流估算值：
I5=2×100×0.3/5=12A， I7=2×100×0.3/7=4.29A， I11=2×100×0.75/11=13.64A 各次谐波电流值均满足GB/T14549-93《电能质量•公用 电网谐波》的要求。
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第4.2章 工程计算实例
2、串联电抗器电抗率的确定：该系统背景谐波以 5次、 7次、11次和13次为主，变压器等铁磁设备产生的3次 为辅，故电容器组的配置应该以抑制 5 次及以上频率 谐波同时防止 3 次谐波被严重放大为原则。根据下式 分别计算当配置串联电抗器电抗率为6%、5%、4.5% 时电容器组对3次谐波的放大倍数分别为1.64倍、1.49 倍、1.43倍。
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由此可见，单组电容器或多组电容器组合投切时，应 避开谐振容量，防止电容器组对系统某次背景谐波严 重放大。可按照以下式进行计算： QC=Sd（1/n2-k） 计算出QC后，可按照下式进行验算： h<√〔 Xc/( XL+Xs) 〕
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电压、电流畸变对系统造 成的影响
3、负载设备不正常运行 3.1 噪声增大:对于变压器等铁磁设备来说，谐波产生的 磁场与基波磁场相互作用而产生脉动转矩。这些脉动 转矩造成了更大的可闻噪声，严重影响设备的正常运 行。同样，谐波电流进入电容器组后会使电容器组的 介质损耗加快，谐波电流产生的电场与基波产生的电 场相互左右，引起电容器组的发热和运行噪声。
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第3.1章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
并联电容器装置对系统背景谐波的影响主要有 两方面 ：
1、当电容器组与系统发生并联谐振时，在谐振频率 （及附近频率）使谐波源遇到高阻抗，由于大部分谐 波源都可以看做谐波电流源，所以会使谐波电压升高， 同时使各并联支路的谐波电流增大。发生并联谐振时 的阻抗特性曲线图见下页。
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第3.2章 并联电容器装置对系统背景 谐波的影响
需串联电抗率大于11.1%的电抗器以抑制3次及以上 频率谐波工程上一般将电抗率选择为12%∽13%。 为 节 省 投 资 ， 有 时 也 会 采 用 将 电 抗 率 为 12% 和 4.5%混装的形式，但碍于投切顺序的限制，较少 采用。发生5次谐波串联谐振时的串联电抗器电抗 率为4%，所以抑制5次及以上频率谐波时，需串联 电抗率大于 4%的串联电抗器，工程上一般将电抗 率选择为 4.5%∽5%。
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电压、电流畸变对系统造 成的影响
1.3铜损 忽略谐波引起的集肤效应由谐波引起的设备铜损增加率 可以下式表示ΔPRpu=ΔPR/PR1=THDi2。 综上所述，由于电流的畸变，该站系统设备的损耗同比大 大增加。再加上无功功率就地不平衡，谐波引起的集肤 效应等因素，系统综合损耗长期居高不下。且这种损耗 带来的热应力消应会大大减小系统设备的寿命，给企业 带来不必要的损失
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第2章 系统高次谐波对并联电容器 装置的影响
系统高次谐波对并联电容器装置的影响主要表现：当 系统发生电压畸变时，电容器电介质损耗会明显增大。 2 电容器电介质的总损耗可以表示为Σ2πfn(tanε)Vn ，式中 tanε为电容器电介质损耗正切角。 由此可以看出电容器电介质的总损耗与谐波频率和谐 波电压值的平方成正比。长期工作在谐波环境下的电容 器组，电容器容量下降速度加快，电容器本身发热严重， 使用寿命也会受到较大影响。
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第4章 工程计算实例
探讨一个采用 6 脉波三相变流设备的水泥厂。某 水泥厂， 10kV 母线短路容量为 100MVA ，系统总 有功功率为 12MW ，综合自然功率因数为 0.7 ，负 载侧谐波源为2台6脉波交-直-交变频器（额定电流 为100A），要在10kV母线装设一套无功补偿装置， 要求等容量分4组自动投切，设备投运后的目标功 率因数为0.94，试进行配置。
并联电容器装置和谐波之间的互相影响
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• 第4章 工程计算实例
• 第5章 电压、电流畸变对系统造成的影响