无功补偿装置与谐波相互作用,不当的配置会导致谐波放大甚至系统谐振,需要采取合理的抑制措施。
谐波源主要来自变频器、整流器、电弧炉等非线性负荷。这些设备产生的谐波电流注入系统,会在电网阻抗上产生谐波电压。当并联电容器与系统电感形成谐振时,谐波电流会被放大数十倍,导致电容器过流、过热、甚至爆炸。典型的谐振频率计算为f_res = 1/(2π√(L_s C)),其中L_s为系统短路电感,C为补偿电容。若f_res接近某次谐波频率,则发生并联谐振。
抑制谐波的基本方法是串联电抗器。电抗器与电容器串联后,改变谐振频率。电抗率(XL/XC)的选择取决于主要谐波次数。对于5次谐波(250Hz),选用电抗率6%或7%;对于3次谐波(150Hz),选用14%或12%电抗率。电抗器的额定电流需包含基波电流和谐波电流,通常取电容器电流的1.3倍。电抗器应具有线性特性,铁芯气隙均匀,避免磁饱和。
对于谐波严重且频繁变化的场合,可采用调谐滤波器。将电容器和电抗器串联成特定谐振频率的支路,吸收谐波。例如,5次滤波器调谐频率为245-255Hz,7次为345-355Hz。滤波支路除了补偿无功,还能大幅度降低谐波畸变率。通常需要设计多组不同谐振频率的支路并联,称为无源滤波器。
采用SVG也能解决谐波问题。SVG本身不产生谐波,还能提供有源滤波功能(APF)。通过检测谐波电流,产生反向补偿电流,动态消除2至50次谐波。有源滤波器的响应速度更快,且不会与系统发生谐振。但成本较高,适用于对电能质量要求极高的场合。
在工程设计时,应先进行谐波测试,了解用户系统的背景谐波含量和阻抗特性。若谐波畸变率THDv超过4%,应采取滤波措施。此外,选择电容器时,应选用谐波型电容器(过电流能力更强),其额定电流应包含谐波分量。普通电容器仅能承受30%的过电流,谐波型可达60%。
运行维护中,应定期测量谐波。若发现谐波超标,或电容器频繁损坏,需及时添加电抗器或改造为滤波装置。对于已安装的电抗器,检查其电抗率是否匹配,防止电抗器过载烧毁。