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井式炉电网中含有谐波情况下的无功补偿

井式炉电网中含有谐波情况下的无功补偿

对原有变流器负荷的补偿

当电网接有谐波源负载(例如变流器等)时,不能将补偿电容器直接接于电网,因为电容器与电网阻抗形成并联谐振回路,在对谐振频率进行估算时,可以根据电网短路功率Sk"和电容器基波补偿容量Qc1计算Vr=F(Qcl/Sk")。

在5次谐波频率下电网具有谐振,并联阻抗Xp大大升高,由谐波源发出的5次谐波电流流入谐振回路后,会产生很高的谐波电压,谐波电压叠加在基波电压上,导致电压波形发生畸变。在电网和电容器之间流动的平衡电流可达谐波源发出的电流的数倍,即谐波放大,此时变压器和电容器承受大于正常情况的负荷,特别是电容器,长期运行于过负荷状态,加速绝缘老化,甚至击穿爆炸。可以根据电网阻抗和电容器容抗预先计算出并联谐振频率,调整电容器容量配置,使并联谐振频率与特征谐波频率保持一定的距离,避免谐波放大。但是实际的电网阻抗不为常数,而时常处于不断变化之中,很难完全避开谐振,特别当电容器分组调节运行时,情况更为复杂。

当需要对接有谐波源设备的电网进行补偿时,必须采取技术措施,将并联谐振点移到安全位置,而实践证明最可靠的方法就是在电容器回路中串联电抗器。

电容器回路串电抗

电容器串电抗后形成一个串联谐振回路,在谐振频率下呈现出很低的阻抗(理论上为0)。如果串联谐振频率与电网特征谐波频率一致,则成为纯滤波回路。如果只吸收少量谐波,则称为失谐滤波回路。

失谐波回路的主要用途是防止谐波放大,滤波效果不大,回路串联谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率,即设定为基波频率的3.8~4.2倍。

在串联谐振状态下,滤波回路的合成阻抗Xs接近于0,因此可对相关谐波形成“短路”。

在谐振频率以下滤波回路呈容性,因此能够输出容性基波无功功率以补偿感性无功功率。在谐振频率以上滤波回路呈感性。

由于滤波回路在谐振点以下呈容性,所以在其特征频率以下又与电网电感形成并联谐振回路。如果在这个频率范围内没有特征谐波,则并联谐振对电网不会产生危害。

设计滤波回路时,应从最低次谐波开始,例如对于6脉动桥式变流器的谐波,应从5次谐波开始设置滤波回路。多个滤波回路的并联谐振频率。当电容器采用△形接线,则滤波回路的谐振频率一般设定为特征谐波频率的96%~98%,以便平衡电网的频率波动和环境温度变化引起的电容量的改变,滤波回路除了输出基波无功功率外,还要承受谐波负荷,多个不同谐振频率的滤波器在两个过0点间会出现一个并联谐振点。

滤波回路的无功功率调节

由于滤波回路的主要任务是吸收电网谐波,所以限制了对基波无功功率进行调节的灵活性,只能对各个回路进行投切,投入的顺序为从低次到高次,切除的顺序为从高次到低次。对于容量较大的补偿滤波装置,可以采取纯滤波回路和失谐滤波回路结合的方法,即纯滤波回路固定运行,补偿基本负荷,失谐滤波回路作为调节运行。

对于低压谐波装置,也可以采取多个同次滤波回路并联的方法,但需注意以下两点:a)失谐滤波回路可以并联运行,用于对滤波效果没有严格要求的场所。b)同次调谐滤波回路并联运行会出现问题。在谐振频率下回路阻抗理论上为0,但实际上电流不可能在2个支路间平均分配,其主要原因:——由于元件制作误差、环境温度变化、电容器老化和元件容丝的动作等因素影响,导致各支路阻抗不为0,并且互有差异。电感和电容的调谐精度的限制。不可能将两个支路的参数调得完全一样。如果两个同次滤波回路中的一个在特征谐波频率下呈感性,另一个呈容性,则会产生并联谐振,使谐波放大。

滤波回路的选择

a)主要用于吸收谐波,降低电网电压畸变,基波无功补偿居次要位置。

b)提高电网功率因数,同时吸收谐波,电容器容量按无功补偿的要求配置。

滤波回路的效应

在谐振频率下滤波回路仍然具有电阻,因此会产生损耗。图6原理图中忽略了所有其他负载,包括电缆电容,但并不影响计算准确度。

电容器容量越小,谐振曲线越陡,一旦失谐,会有大量谐波电流进入电网。电容器容量越大,滤波效果也越好。 品质因数改变时谐振曲线只在特征谐波附近变化,在滤波器调谐频率与谐波频率相等或相近的情况下,品质因数越高,滤波效果越好。考虑到电容器和电抗器制造技术和费用等条件,品质因数一般在30~80之间。

谐波分流特性只适用于谐波源和滤波器稳定状态,在井式炉谐波源(例如可逆轧机传动)动态变化过程中,谐波电流的每次改变均会引起滤波器震荡,滤波器回路电阻越大(品质因数越小),则震荡时间越短,但滤波效果要降低。对于频繁变化的谐波源负载,在过渡过程期间,电网要承受较大的谐波电流。

电网分析与计算

设计补偿装置和滤波回路时,除了计算选择元器件参数外,对于特定的供电系统还需要进行具体电网分析,模拟出设备投入后预期的效果。