概述
电容器可用于改善交流系统的功率因数，但同时也会产生负作用。在一些情况下，使用电容器是产生负作用的主要原因；在另一些情况下，电容器又会受负作用的危害。不管在那一类情况，电气工程师都应了解系统的状况，采取必要的措施，防止浪涌冲击和谐振造成的危害。目前，随着斩波直流设备，尤其是SCR驱动设备越来越广泛的应用，这两方面的危害日趋严重。
浪涌冲击的产生
浪涌冲击（瞬态脉冲尖峰）问题的出现，可以追溯到本世纪三十年代，当时它是由医疗用X射线机而引发。到了四十年代，由大型电弧焊机和冶炼炉引发的电压闪变引起了工程师的广泛注意。
浪涌冲击在近年来变得更为严重，随着斩波型开关电源设备（如计算机及UPS等）和大型整流电源设备的广泛使用，浪涌冲击和谐波畸变变得更为普遍。即使没有电容器，线路中的干扰事件也会经常发生，由此引发的设备误动作、电压畸变、过电流及不平衡电流等现象经常发生。
另外，电力系统中开关的分合、熔断器的动作、设备绝缘击穿、大容量设备的投切启动及其它故障等，都会引发浪涌冲击脉冲干扰。
浪涌冲击的危害在谐振发生时将会更严重。在脉冲的一系列频谱中，当线路电感量和电容量接近时，便有可能引发谐振，导致谐波在系统的局部地区放大。谐振不仅会随着瞬间干扰产生高电压和过电流，使事态恶化，也会在基频系统中叠加谐振电流，引起设备和绝缘过热，甚至烧毁损坏。
整流设备对电网运行的影响
近年来，整流系统的应用日趋广泛，已成为浪涌冲击和谐振的主要原因，如商业大厦中的电梯变频调速驱动系统，不间断电源供电系统（UPS）等。同时，整流触发电路（Rectifier Firing Circuit）也会引发浪涌冲击和谐振问题。
整流设备不仅导致波形畸变，也常令功率因数下降，因此需要安装补偿电容器以改善功率因数,但是电容器又容易引发谐振问题,在轻载时必须切除。
在整流器电路分析中有三个因素应受到注意：
第一.电路中开关分合引发的瞬间浪涌干扰。整流器和逆变器是一系列复杂的固态开关电路，它们首先从交流电源电路的一相中吸取电流，然后又转到下一相，不断循环，依次给同一输出导线供电（直流输出）。当电流由一相导线转换到另一相时，两相导线基本处于短路状态，虽然短路状态仅持续零点几毫秒，却造成尖峰和缺口脉冲浪涌干扰，如图-1，
| 图-1.
由一套可控硅装置给一台400马力直流电动机供电时造成的线路电压瞬间干扰（脉冲尖峰），该系统从一台2000KVA的配电变压器供电。 |
|
 |
第二.整流器在提供直流时，其工作原理不仅要求交流线路提供基频电流，也要求提供高次谐波，以通过整流元件合成出近似平稳的直流，在制造高次谐波的过程中反过来影响交流电源的基波电流。
第三.电路存在着固有的电感和电容（包括分布参数），它们的组合可能引发谐振，从而使电流和电压的幅值增大许多倍，如图-2所示。电气工程师的工作就是确定导致这种过电流和高电压的条件，并设法加以避免。
| 图-2.
130KVAR电容器安装处所测的电压、电流波形 ，幅值大的波形是电压，幅值小的波形是电流。该电容器由1000KVA配电变压器供电，在离电容器200英尺远的母线上接有一台由SCR控制的300马力电动机。本图显示了谐振情况下的电流尖峰情况，在电流波形中可清楚地看到11次谐波分量的存在。 |
|
故障形成的原因
在一般工厂和办公大楼中，适当数目的可控硅整流器（SCR）装置很少引发故障，但是在下列情况却可能造成事故，应特别注意：
a. 对所在系统而言,存在着容量较大的可控硅整流器（SCR）装置，例如，有一、二个可控硅整流器（SCR）装置的负荷占其配电变压器容量的40%左右，在换向时所产生的尖峰脉冲很容易会烧坏电容器组的保险丝，甚至击穿电容器的绝缘。
b．整流器通常的功率因数工作在较大（50%以上）的滞后条件下，而且存在频繁分合电容器，不论是全部还是分组。
c．可控硅整流器（SCR）装置的负荷大于同一低压母线上其它设备的负荷。d．在满载时可以把功率因数补偿到0.9以上的电容器，尤其在轻载时这些电容器仍不切除的情况下。
e．电容器的补偿容量（KVAR）超过变压器容量的25%。
浪涌冲击的危害
浪涌冲击（尖峰脉冲）比谐波更易造成熔断器烧断。为说明这点，可假定将电容器熔断器安装在每组电容器上，采用的熔断器为快速限流型(不同于慢速熔化型)，它可以迅速地将短路的电容器组切除。要防止电容器损坏，关键是切除速度，这类熔断器的保护效果相当不错。但是，这类熔断器太灵敏，其I2t容量相对较小（只有数千平方安培*秒），遇到浪涌尖峰就会烧断。目前普遍采用的单晶结构熔断器便属于此类。
因此，熔断器的额定电流应慎重选择。在标准正弦波条件下，传统的选择原则不会有什么问题，熔断器的额定电流一般选为电容器额定容量的1.67倍, 其中包括了电容器电流的正常波动范围；也可选为电容器额定千乏数的1.35倍, 这是由电容器的微法拉1.15倍，额定电压的1.1倍和附加谐波（在某种程度上总是存在的）的1.06倍综合计算得出的。但是有尖峰毛刺的电压波形也可以烧断这样的熔断器，现在许多电气工程师与熔断器制造商的想法一样，都在考虑将正常的选择倍数提高到2.2--2.5倍，或更高。
尖峰脉冲也会损坏接触器，当照明或电阻性负载的接触器用于补偿电容器时，按照接触器制造商的规定，浪涌冲击一般应限制在6倍额定电流以内。
电力工程师必须仔细选定在正常条件下运行的熔断器，以保证电容器和接触器不被损坏。更重要的是要设法抑制电容器安装处的瞬间尖峰干扰，通常的方法是在靠近敏感设备处，接入（串入）一定量的电感或安装并联抑制器。如果一条线路自身没有足够的电感，则可以用螺管形扼流线圈增补。为了获得更佳效果，就应采用滤波器。
谐振
在一般电力系统中，通常容易识别潜在的谐振电路，因为谐波比尖峰更容易分析，而且处理方法也较容易。谐振电流和电压的产生，必须具备谐振电路和激励两个条件，如果两个条件成立，将会造成振荡，从而引发过电流和过电压。下面对这两个条件做简要分析。
在确定谐振产生的第一个判据（即谐振电路）时，重点应了解谐振频率是否匹配激励频率。谐振频率取决于电路的电感（L）和电容（C）：
f= 1 /（2л*SQRT（LC））
其中：f 的单位是赫兹，
L的单位是亨，
C的单位是法拉。
在电力系统中，L和C主要包括以下因素：
a. 变压器阻抗（Z）（铭牌标注），这是电力系统中主要的感性元件。
b. 变压器与电容器之间电力线路的阻抗（电抗）（计算值）。
c. 变压器之前供电系统的等值阻抗，通常由当地供电部门以阻抗(Z)或短路容量(KVA)的形式给出。
d. 所研究电路内电容器额定容量（KVAR），如果电容器遍布配电系统，则可首先近似地考虑装在负荷中心的电容器。
可以通过现场试验确定系统的电抗，具体作法是：根据已知的电容，将一些激励施加到电路上，观察振荡频率，然后推算出电感及电抗。示波器（最好具有屏幕记忆功能）可以读出震荡频率，其波型图将记录线路的状况。采用示波器分析谐波时应注意，5次以上谐波（如11次）的幅值，在扫描时可能已经发生了变化，因此只可用于定性分析。
实际应用系统中，一般发生的是并联谐振。即用户的非线性负载产生的谐波电流Ih，在经由电容器组电容和供电网电感（含变压器）形成的并联谐振回路，如图-3，由于谐振发生，流经变压器和电容器的谐波电流It和Ic被放大到10-15倍。被放大的谐波电流将导致电容器和变压器内部组件过热甚至损坏。
另一种较少见的谐振串联谐振，它是在上一级供电网系统电压发生波形畸变的情况下，由电容器和供电变压器之短路电感形成的串联谐振回路会吸引高次谐波电流流入电容器，串联谐振可导致在变压器的低压侧和电容器上出现很高的谐振电压，引起电容器或变压器的绝缘击穿。如图-4。
图-4. 串联谐振回路及其等效电路
实际系统中存在一个有趣的现象，即谐振通常在300—750Hz之间发生，这个频段与固态整流设备相关的振荡发生的可能性最大。
假定电路具有一台阻抗为5.7%（这是一个常见值）的变压器和一组电容器，电容器的额定容量（KVAR ）为变压器额定容量（KVA）的25 %，则谐振频率 f = 380---420Hz，改变电容器的额定容量和变压器额定容量（KVA）的比值，则谐振频率变化如下：
比值为30% 时，f = 330---380Hz
比值为40% 时，f = 290---330Hz
在电气联系较弱的小系统中，电网谐振频率将降低。随着固态整流设备越来越便宜和广泛应用，在用400/240V 小型变压器为SCR负载供电时，电气工程师应特别警惕谐振的问题。
谐振发生的第二个条件是存在与电路固有频率相匹配的激励频率，而且激励的幅值和速率必须大于电路的损耗。为了确定电力系统的高频激励，必须对负荷，尤其是整流设备作仔细研究。根据分析计算可知，整流设备产生的谐波特征频率为 n X fo，
其中 fo 为系统基波频率
n =kP ±1，k为整数，
P 为整流设备的脉冲数，常见的三相全桥P=6
在评估整流器的谐波激励时，应主要考虑5、7、11和13次谐波分量，他们对应的频率分别为250、350、550、650（基频为50Hz的系统），而3、9次谐波可被三角形（△）接线方式抑制。按照我们的经验，如果系统谐振频率在550Hz（11次谐波）或更高，则很少引发谐波问题。
整流器过分简单时，将导致基频系统的电流成为矩形波，矩形波中每一谐波分量的幅值与频率的倒数相关，即5次谐波的幅值最大，7次谐波次之，依次类推，一直到比上述提及的谐波更高次的分量，但它们占的比例很小，通常可以忽略不计。
如果产生的谐波与供电电路的谐振频率相吻合，则会导致振荡，甚至引发严重故障。谐振的频率越高，整流设备需要提供的能量越少（难以置信的是，这些整流元件就好象是谐波电流发生器）。
谐振的防范措施
如果电气工程师发现了容易引发振荡的条件，他可以选择如下多种解决方法：一种方法是把电容器的容量限制在适当程度，一般情况下，要使电容器的额定容量（KVAR）低于变压器额定容量的25%；另一种方法是先从可以避免电路谐振的电容器的最小容量开始，如图-3所示，然后逐渐增加电容量，直至达到所希望的功率因数或有故障迹象时为止，但这个过程需要仔细监视。
一种有效但昂贵的方法是：在使用整流器时，在整流之前把交流电源分成12或更多个电路，这样就可将产生谐波的频率提高到一个容易治理的范围，这种方法仅在需要安装大规模电容器时才符合经济原则。
图-5。谐振频率与电容器容量关系的示意曲线，配电变压器容量为1500KVA，在200英尺远处接有一台1000 A的电抗器。功率因数曲线显示，随着电容器容量的增加，功率因数得到更好的改善，但谐振频率进入危险区，图中显示了应当设法避免的谐振波频率。有时，必须兼顾改善功率因数和消除谐波这两个方面。
|
图-5
|
 |
在每组电容器上串接电抗器，将振荡频率尽可能调整到最低的期望值，这样做通常是针对5次谐波的。这些串联——谐振滤波器将谐波电流限制在电容器与整流器之间的电路中，从而在为负载提供平滑直流的同时，减轻电力系统中过量的谐振。
为了抑制5次谐波，在50Hz系统中一般采用6%左右阻抗的电抗器，这就使电容器上的电压增加了6%，再考虑到电容器必须通过较大的谐波电流，因此推荐在380V系统中使用500 V的电容器。由于电容器容量的调整和增加额外的电抗器，费用也因此增加。
我们发现这种方法很有效，即使在小系统中也一样有效，它尤其适用于负荷侧就地电容补偿方式，也就是在靠近各个整流型负荷处，安装上述的电抗器—电容器组合装置，并且随线路一起投入和切除。
另一种常用的方法是安装滤波电容器组，以满足国标idb IEEE标准519-1992要求。典型的滤波电容器组设置五次、七次、十一次谐波等3个滤波分支路，如图-6。滤波分支路的数量取决于要吸收的谐波量和需要补偿的无功量。在某些情况下，甚至一个滤波分支路就可满足电压畸变之限制和目标功率因数。
|
图-6 滤波电路 |
 |
结论
随着整流型负荷的广泛应用，产生谐振和浪涌冲击将变得更加普遍。综合上述分析，浪涌冲击的影响可以消弱，适当选择电容器的容量和抑制方式，谐振问题也能够克服。用户需要根据投资效益综合考虑。
您当前位置：
上一篇：
相关文章
