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如何在有諧波污染的系統(tǒng)里正確選用電容器及電抗器

2022-01-13

使用電力電容器，已經(jīng)是目前最便宜又穩(wěn)定的無功補(bǔ)償方法。電力電容器如何達(dá)到無功補(bǔ)償功效?無功補(bǔ)償有何好處?多年來已有許多論述，在此就不加贅述。
故本文直接從諧波議題開始討論。至于何謂諧波?諧波為何會(huì)產(chǎn)生?以及諧波會(huì)造成什么問題?多年來亦已有許多論述，在此也就不加贅述。
本文僅探討電力電容器在應(yīng)用于無功補(bǔ)償時(shí)，若電力系統(tǒng)里有諧波的存在，將會(huì)造成對(duì)電力系統(tǒng)及電容器有何負(fù)面影響?
而為了避免該負(fù)面影響，如何正確的選用及匹配電容器以及電抗器？
電容器與電力系統(tǒng)之并聯(lián)共振
以一個(gè)非常典型的電力系統(tǒng)為例。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)在一般的狀況是電感性加一小部份電阻性。在系統(tǒng)中為了無功補(bǔ)償，而投入電容器的同時(shí)，因?yàn)殡娙萜魇请娙菪载?fù)載，因此投入電容器之后，在某一個(gè)頻率時(shí)，電容器本身的電容性會(huì)與系統(tǒng)的電感性造成電容器本身與電力系統(tǒng)并聯(lián)共振的問題。
如果該系統(tǒng)有諧波污染，而這并聯(lián)共振頻率又剛好是諧波頻率，或接近諧波頻率，則此一諧波成份會(huì)因該電容器的電容性及系統(tǒng)的電感性并聯(lián)共振而放大。
這個(gè)被放大的諧波電流，會(huì)造成電力系統(tǒng)更嚴(yán)重的諧波污染，而且該放大的諧波電流同時(shí)造成電容器及該分路過電流過載。如果這個(gè)過載情形太嚴(yán)重，超過電容器所能承受，電容器可能會(huì)因此而故障。
電容器串接電抗器解決并聯(lián)共振問題
為了在有諧波負(fù)載的系統(tǒng)中，加裝電容器組以達(dá)到無功的補(bǔ)償，同時(shí)又能避免單純裝電容器時(shí)所造成的并聯(lián)共振問題，先進(jìn)電機(jī)所提出的解決方法，便是在電容器前再加裝一只抗諧(De-tuned)電抗器。
那么要串聯(lián)多大的電抗器呢?針對(duì)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)所，專家們提出了許多建議，譬如:選用該電抗器的阻抗為電容器阻抗絕對(duì)值的5.67%,6%,7%,13%,14%等等，
在英文中，通常把此種電容器加裝De-tuned電抗器之設(shè)備稱為De-tunedFilter。
至于應(yīng)該選用多少百分比的電抗率，則需要更進(jìn)一步了解『應(yīng)用場(chǎng)所有哪些諧波電流?』。
在此需要特別把電容器及電抗器的阻抗公式列出
電容器阻抗為Zc=1/(jωC)
電抗器阻抗為ZL=jωL
以電容器串接7%電抗器為例。如果以諧波產(chǎn)生源為基準(zhǔn)，系統(tǒng)本身的阻抗乃為電感性及小部份的電阻性。而此一電容器+7%電抗器組的串聯(lián)共振點(diǎn)在3.78次(頻率為189Hz)，其電容電抗器組之阻抗，在3.78次(189Hz)以下為電容性，在3.78次(189Hz)以上為電感性。
在此一電容器+7%電抗器組投入系統(tǒng)中，仍然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)并聯(lián)共振點(diǎn)，但該并聯(lián)共振點(diǎn)絕對(duì)只會(huì)發(fā)生在于電容器+7%電抗器組為電容性的情形時(shí)，亦即該并聯(lián)共振點(diǎn)絕對(duì)只會(huì)在3.78次(189Hz)以下，因?yàn)殡娙萜?7%電抗器組在3.78次(189Hz)以下是為電容性負(fù)載。
通常會(huì)產(chǎn)生大量諧波成份的6脈沖整流器負(fù)載，所產(chǎn)生的最主要諧波成份為所謂的特性諧波，亦即所謂的N=6n±1次諧波，n=1,2,3….。故在這種諧波成份中，最低頻率者為5次(250Hz)諧波。而在此一例子當(dāng)中，電容器+7%電抗器組僅會(huì)在3.78次(189Hz)以下，才會(huì)與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)共振?？墒且?yàn)樵诖艘幌到y(tǒng)中并無3.78次(189Hz)以下之諧波電流，故不會(huì)有諧波共振放大之現(xiàn)象。
而在3.78次(189Hz)以上，因電容器+7%電抗器組為電感性負(fù)載，而系統(tǒng)也是電感性，故在3.78次(189Hz)以上并不會(huì)有并聯(lián)共振的情形發(fā)生，故該特性諧波N=6n±1,n=1,2,3…，就不會(huì)有所謂并聯(lián)共振而造成諧波共振放大的情形發(fā)生。
而且值得一提的是，此一電容器+7%電抗器組，在第5次(250Hz)時(shí)的阻抗為電感性，而系統(tǒng)在第5次(250Hz)的阻抗也是電感性。因此5次諧波將會(huì)因歐姆定律，阻抗分流原理，一部份流入電容器+7%電抗器組中。7次以及更高次之諧波亦會(huì)依同樣的原理，而會(huì)有一小部份會(huì)流入電容器+7%電抗器組中。因此，此一電容器+7%電抗器組，其實(shí)不僅可以避免特性諧波的共振放大問題之外，并且因?yàn)榉至髟?，可以吸收一小部?次及5次以上之諧波成份。因此它其實(shí)是有部份濾波的功能。
當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生3次諧波時(shí)，則建議電容器加裝13%電抗器(串聯(lián)共振點(diǎn)2.77次，139Hz)或14%電抗器(串聯(lián)共振點(diǎn)2.67次(134Hz))或15%電抗器(串聯(lián)共振點(diǎn)2.58次，129Hz)。如此即可避開3次諧波電流的共振放大。但是因?yàn)?3%，14%或15%之電抗器的成本遠(yuǎn)高于6%或7%電抗器，故除非真有相當(dāng)多的3次諧波成份，否則絕大多數(shù)的狀況，還是串接6%或7%之電抗器即可。