王見樂
【摘要】 本文主要介紹用于交直流傳動軋機SVC中常用的幾種無源濾波器,分析他們的性能、參數確定及其檢驗情況。
【關鍵字】 無源濾波 特性 檢驗
隨著非線性負荷的大量使用,無功補償裝置SVC成為維持電壓穩定的重要設備。為濾除負荷引入的諧波,SVC中設置濾波環節是必須的。常用固定電容器組組成無源濾波器,這種方式既起到容性無功補償的作用,又起到濾波的作用。
1.無源濾波器的分類及特點
無源濾波器是由濾波電容器,電抗器和電阻器適當組合而成的濾波裝置。無源濾波器分兩種類型:調諧濾波器和高通濾波器。調諧濾波器又分單調諧濾波器和雙調諧濾波器,高通濾波器分一階高通濾波器,二階高通濾波器,三階高通濾波器和C型高通濾波器。
單調諧濾波器通頻帶窄,濾波效果好,損耗小,易調諧,是使用最多的一種類型。雙調諧濾波器可代替兩個單調諧濾波器,但接線復雜,調諧困難,僅在超高壓系統使用。一階高通濾波器因基波損耗大,一般不采用。二階高通濾波器通頻帶寬,濾波效果好,但損耗比單調諧濾波器大,通常用于較高次諧波。C型高通濾波器的濾波效果比二階高通濾波器稍差一些,但基波損耗小,僅限于2、3次濾波,效果很好。因此,本文主要介紹單調諧濾波器、二階高通濾波器和C型濾波器。
2.無源濾波器特性分析
(1)單調諧濾波器
對單次諧波的濾除來說,單調諧濾波器的濾波效果最好,且損耗小。但單調諧濾波器有可能因電力系統頻率變化,環境溫度變化和調諧偏差而在失諧狀態下運行,使濾波效果下降。
設計H次單調諧濾波器需要考慮幾方面的因素:電網的頻率偏差;環境溫度變化引起的電容器電容變化;電容器使用時間較長時,其介質材料老化,導致電容值下降;濾波器在電網工頻的偏差范圍內H次諧波下呈感性。
濾波電容器的基波容抗為:XC = ? (Ue 為電網額定電壓kV;Qj 為該單調諧濾波器的基波容量kVA);濾波電抗器的基波感抗為: XL =? = 令濾波電抗器的品質因數為q,則濾波電抗器的電阻分量:RL =HF ·XL/q ,濾波器在任一諧波次數h下的阻抗ZF(h) =XC [ +j·( )] 。
(2)二階高通濾波器
二階高通濾波器是帶阻尼的寬頻帶濾波器,常用于調諧次數不低于5的高通濾波,其基波損耗較大。
如預選定一H(H≥5)次二階高通濾波電容器的基波容抗XC,濾波電抗器的基波電抗為:XL =XC/HF 2(HF為濾波器的實際調諧次數)。二階高通濾波器的品質因數q一般取1~5。且q越小,濾波器的基頻損耗越大,其特性曲線越平坦,也就是說,濾波器阻抗受頻率變化的影響就越小。
濾波器在任何諧波次數h下的阻抗為:
ZF(h) =XC?
濾波器的基波無功容量為:Qj =
設通過濾波器的h次電流為IFh,波電阻的功率損耗為:PR= 。
(3)C型高通濾波器
當調諧次數小于5時,二階高通濾波器的基波損耗相當大。與其相比,C型高通濾波器的優點就在于在調諧次數小的范圍內基波損耗小。
為了保證基波損耗盡可能小,希望基波電流盡量不從R并聯支路上流過,那么濾波器參數需滿足XL = XC2 ,同時,濾波器在HF (HF =2或3) 次諧波下處于調諧狀態,因此濾波器參數還應滿足 =HFXL , 因此有:
XC1 =(HF 2 -1)XC2 或 C2=(HF 2 -1)C1,濾波器的基波無功容量:Qj = = 。與二階高通濾波器一樣,C型高通濾波器的幅頻和相頻響應特性受品質因數q影響較大。據實踐總結,C型高通濾波器的q一般取3~15。且q越小,其特性曲線就越平坦,即濾波器阻抗受頻率變化的影響就越小。濾波器最小諧波阻抗基本在2次諧波點處,但實際諧振點隨q值的減小往后偏移。
濾波器在任何諧波次數h下的阻抗
ZF(h) = =
為保證濾波器在理論調諧次數H次諧波下不呈容性,要求
H=2時 HF ≤
H=3時 HF ≤
設通過濾波器的h次電流為IFh,濾波電阻的功率損耗為:
PR=
3. 濾波電容器的安全性能校驗
當電容器承受的電氣條件超出其耐受能力,電容器可能會出現擊穿、膨脹甚至爆炸事件,所以電容器的安全運行是非常令人矚目的。濾波電容器的基本電氣參數有二:額定電容Ce和額定電壓Ue。根據這兩個參數,可計算其它電氣參數:
額定電流:Ie =UeωCe 額定容量:Qe= Ue2ωCe
為了保證濾波電容器所承受的電氣條件在其耐受能力范圍內,其電氣參數Qe、Ue和Ie必需通過以下校驗。
(1)等值發熱校驗
等值發熱主要由電容器介質中基波和諧波有功損耗引起的,分別用下式計算
PC1 =IC12RC1 =QC1tgθ
PCh =ICh2RCh =QChtgθ
(QC1 電容器基波容量,kvar;QCh電容器諧波容量,kvar;tgθ電容器介損角正切值)。
總損耗為 PC =PC1+ΣPCh=(QC1+ΣQCh)tgθ
電容器的最大允許損耗為 PCy =Qe tgθ
電容器應當滿足PC≤PCN這一條件,因此有QC1+ΣQCn≤Qe
(2)過電壓校驗
濾波電容器同時承受基波電壓UC1和各次諧波電壓UCh。為保證電容器的安全運行,電容器額定電壓應滿足UC1+Σ(λ?UCh)≤1.1Ue
式中,λ為峰值諧波過電壓系數,僅適用于交直流傳動軋機的濾波器設計,1.1
倍為按國標規定的電容器允許長期過電壓系數。
【結論】 本文通過對無源濾波器的分析,計算其參數,得出適用于交直流傳動軋機SVC中的三種濾波器(二階高通濾波器、C型濾波器、單調諧濾波器),分別用于濾除高次諧波、低階2、3次諧波和其他單次諧波。
【參考文獻】
呂潤馀,電力系統高次諧波[M],北京:中國電力出版社,1998.5