谐波对电容的影响及对策

港口电力系统中谐波对电容的影响及对策
陈立新
摘要：简要介绍了港口电力系统中谐波所造成的危害与影响，谐波造成影响的原因及理论上的解决方法，实际运行中存在的一些实际问题，提出了解决谐波影响的实施对策。

关键词：谐波电容器电力系统电抗器电抗率
一、引言
随着近年电子技术的在港口电力系统的广泛应用，特别是变频、整流以及能量回馈等技术在港口大型门机、集装箱岸桥等机械设备上的应用，港口供电系统中的谐波问题已经不可避免的暴露出来。

据天津港电力系统中部分装有变频调速设备的集装箱岸桥和大型门座式起重机的谐波测试情况看，其中大部分机械设备运行中有5、7次谐波注入系统，个别设备还有11、13次谐波产生。

由于高次谐波对电气设备的正常运行具有非常的危害性，其所造成的损失已不胜枚举。

例如，熔断器爆炸、电抗器过热烧毁、电容器鼓肚、PT绝缘击穿、变压器出力和寿命降低等问题在天津港电力系统中就曾有发生。

下面本文就谐波影响最为严重的电容器如何作好对谐波危害的防制，实际操作中存在的一些实际问题和解决办法，以及港口电力系统如何作好对谐波影响的防范，提出自己的一点见解供探讨。

二、电容器对谐波放大是谐波造成危害的主要原因
1.电容器对谐波电流放大原理：
电力系统中如果没有电容设备且不考虑输电线路电容，则其谐波阻抗Zsn=Rsn+jXsn
式中Rsn—系统的n次谐波电阻
Xsn--n次谐波电抗 Xsn=n Xs
Xs –工频短路电抗
并联电容后，设并联电容器基波电抗为Xc n次谐波电抗为Xcn，系统的谐波等效电路如图一所示，则系统的n次谐波阻抗值Z′sn为
由上式可以看出，装设电容器后系统的谐波阻抗随系统的谐波频率不同会发生变化，即可以为感性也可以为容性，并且当系统的谐波频率达到某一特定值时，并联电容器可能会与系统发生并联谐振，使等效谐波阻抗达到最大值。

如果谐波源为n次谐波电流İn注入电力系统，İsn为进入电网的谐波电流，İcn为进入电容器的谐波电流，如图二所示：
根据电路计算公式：
当Xsn=Xcn时，并联电容器则与系统阻抗发生并联谐振，由于Rsn<<Xsn、Rsn<<Xcn，此时İsn、İcn均远大于İn，所以谐波电流被放大。

因Xcn=n Xs，Xcn= 故谐振点的谐波次数为n o=√ Xc /Xs，
即当谐波源中含有次数为√ Xc /Xs 的谐波时，将引起谐振。

若谐波源中含有次数接近√ Xc /Xs 的谐波，虽不会发生谐振，但也会导致该次谐波被放大。

2.谐波放大对电容器造成的影响
谐波电流一旦被电容器放大并迭加在电容的基波电流上，这将使流过电容器电流的有效值增加，电力电容器会由于谐波电流引起附加绝缘介质损耗加大、温度升高，加快电容器绝缘老化，甚至引起过热使电容器损坏。

此外，谐波电流被放大引发的谐波电压增大一旦迭加在电容器的基波电压上，同样会使电容器电压有效值增大，并且电压峰值也会大大增加，造成电容器发生局部放电不能熄灭，这也是电容器损坏的一个主要原因。

由于电容器对谐波电流的放大作用，它不仅危害电容器本身，而且会危及电网中的其它电气设备，严重时会造成电气设备损坏，甚至破坏电网的正常运行，因此，必须要解决好电容器对谐波电流的放大问题，加强谐波的抑制与防范。

三、谐波抑制方法及实际操作中的问题
1.谐波抑制方法
根据并联电容器对谐波电流放大的原理，改变并联电容器与系统阻抗的谐振点，避免谐振发生，就可以有效地解决并联电容器对谐波的放大问题。

实际操作中的通常的做法是给并联电容器串接一个电抗器，其等效电路如图三所示，X L为串接电抗器的基
波电抗，由于通常情况下
Rsn<<Xsn，忽略Rsn，
串接电抗后，
由以上两式可以看出，当n Xs+（n X L-Xc/n）=0时，并联电
容器此时将与系统发生并联谐振，谐波次数n0=√ Xc/（X L+Xs），与未串接电抗器之前相比，谐振点谐波次数明显低于未串接
电抗器时的谐波次数，且串接的电抗器电感量越大，谐波次数n0越低。

因此，通过串接电抗器电感量大小控制并联谐振点的位置，能够有效避开谐波源中所包含的各次谐波，避免谐振的发生。

2.实际操作中的问题
谐波问题实际上是一个十分复杂的问题。

单就天津港口电
力系统来说，港区用电设备有谐波产生，上级电网也有谐波注
入，变电所内部的整流等设备同样会产生谐波。

由于港区用电
负荷随时间和港口生产情况变化波动非常大，因此港口生产设
备产生的谐波影响也在不停的发生着变化。

同样，由于上级电
网的调整变化，其谐波影响也有不同。

特别是随着近年天津港
口建设的飞速发展，新的集装箱码头岸桥等大量新设备的不断
增加投入使用以及随时可能增加或调整投入使用的设备，对于
谐波的影响确实很难做出准确的预测。

因此，对于港口电力系
统中并联电容无功补偿装置的谐波抑制，特别是在串接电抗器
的选配方面同样面临着许多的实际问题。

通过以上的分析、讨论已经知道，当系统中含有多次谐波
分量时，可以通过加大串接电抗器的电感量降低谐振点来解决。

但若串接电抗率过大的电抗器，电容器两端电压将升高到一个
很高的数值，不仅会造成投资大、不利于安全运行，同时也会
影响补偿效果，因此一般情况下，串接电抗器的电抗值不宜过
高。

从天津港口的实际测试情况看，系统中谐波主要以5次以高次谐波为主，根据有关书籍介绍，对于5次以上谐波串接4.5%--6%的电抗率具有很好抑制作用，但从理论计算公式可以看出，任何一种固定比率的电抗器都不可能对每次谐波都能起到很好的抑制作用，特别是串接4.5%--6%的电抗率还会对3次谐波产生放大作用。

因此可以讲，采用一种电抗率的串接电抗器要想全面解决含有多次谐波的抑制问题，不可能做不到。

如果采用串接多组不同电抗率的电抗器分组形式，虽然并联电容无功补偿设备的构成形式能够满足，并且也可以做到对不同次谐波的抑制，但是由于系统中各次谐波的出现并非规律性，若想实现无功补偿和谐波抑制的协调统一，不同的电容器、电抗器组合及不同的操作顺序，不但给安装设计带来不变，也给运行维护带来很多麻烦，因此这种方案也不可能做到。

，下面结合电容器、谐波以及港口用电的实际谈一点自己的认识。

四、实施对策
综合以上分析我们已经了解了高次谐波对电力电容器的影响，谐波的抑制方法以及实际运行中存在的具体问题。

同时我们也知道高次谐波并非仅对电力电容器造成危害和影响，谐波对电力系统中的其它设备同样存在危害和影响。

那么如何才能解决好谐波的影响与危害问题呢，通过上面的分析我们已经知道，任何一种固定电抗率的电抗器都不可能对多次谐波都能起到很好的抑制作用，并且谐波一旦大量流入电力系统危害其它
设备，影响同样严重。

因此我们必须综合地考虑无功电容补偿设备对谐波的抑制与对系统其它设备的影响问题。

根据国家电力电容器设计制造规范，电力电容器设计制造中已经考虑了一定谐波分量影响。

综合考虑港口电力系统安装并联电容无功补偿设备是为了实施无功功率补偿的主要目的，因此笔者认为，港口电力系统并联电容器的防谐、抑谐串接电抗器不必考虑，同时也不可能达到一个完全理想的状况，串接电抗器的电抗率应在保证电力电容器不受损害的情况下，尽量多吸收一些系统中的谐波电流减小谐波对系统中其它电器设备影响。

因此笔者建议港口电力系统的防谐、抑谐应按以下原则来实施：
1、在保证电力电容器不受损害的前提下，并联电容器串接电抗器的电抗值宜适当选择一个下限，尽量避免注入系统的谐波电流过大，从而给系统中其它设备和电网带来不利影响。

2.根据规范，在电容器允许过电流、过电压等范围内，允许电容器吸收一部分谐波，以减少谐波过多进入系统造成损坏。

3.对于港口大型门机、集装箱岸桥等大型设备和主要谐波源等应实施就地治理和补偿，避免过高和超标谐波流入系统，给港口电容补偿设备和其它设备造成影响。

4.对于系统中相对复杂而又难以控制流入的谐波问题，通过测试分析，可以采取滤波、抑波相结合的治理方案进行解决。

5、对于准备购置的新设备或新建的变电所等，应参照类似或已有的成熟运行经验作好谐波的治理和抑制工作。

总之，谐波的问题比较复杂，影响也比较严重。

我们既要做好并联电容器对谐波的抑制防范问题，同时更要解决好谐波对其它设备和电网的影响。

根本办法就是从源头抓起，对系统内部影响较大的谐波源的负荷实施就地治理，减少过多的谐波电流流入系统，这是最有效也是最根本的解决途径。

（二〇〇六年七月）。