通信机房电容器组谐波抑制之分析 摘要：讨论并联电容器对谐波电流的放大机理，分析串联电抗器后对电容器抑制谐波的作用，分析对电抗串联后回路电压、电流、容量的影响，最后对电抗器选择提出归纳和建议关键词：电容器、串联电抗器、谐波、电抗率、1.概述在供电系统中，并联电容器作为无功补偿的一种技术措施得到了广泛的应用在以往的设计中，我们更多关注的是电容器补偿的容量，而对通信机房谐波造成电容器的损坏和后果认识不足在通信机房内装有大量的UPS、整流装置等谐波源，这些谐波源产生的谐波电流一旦被电容器放大并迭加在电容的基波电流上，将使流过电容器电流的有效值增加，电容器由于谐波电流引起附加绝缘介质损耗加大、温度升高，加快电容器绝缘老化，甚至引起过热使电容器损坏谐波电流被放大引发的谐波电压增大一旦迭加在电容器的基波电压上，同样会使电容器电压有效值增大，并且电压峰值也会大大增加，造成电容器发生局部放电不能熄灭，造成电容器损坏此外，由于电容器对谐波电流的放大作用，它不仅危害电容器本身，而且会危及通信机房供电系统的其它电源设备，严重时会造成电源设备损坏。
本文主要分析通信供电系统中谐波对电容器的影响，及补偿电路设计问题2.电容器对谐波电流的放大由于电容器的谐波阻抗小，谐波电压会产生显著的高次谐波电流，而且合闸时会出现很大的涌流另外还可能发生与电网的电阻、电感发生并联谐振，放大各次谐波电流，使电容器发热，影响使用寿命因此我们首先从理论上对电容器对谐波电流放大的机理进行研究分析 设供电系统谐波阻抗为,； （1）其中电容谐波电抗为； （2）电感谐波电抗为； （3）式中 —系统的n次谐波电阻 —工频短路电抗 —电容器基波电抗 供电系统中谐波源为电流源，图中为谐波源的n次谐波电流，为进入电网的谐波电流，为进入电容器的谐波电流 （4）； （5）进入电网的谐波电流 （6）当，即，并联电容器则与系统阻抗发生并联谐振。
令,则，通常供电系统的R远小于电抗，为简化分析，略去R电阻值当,即,进入电网的谐波电流取得最大值而当谐波源中含有次数为次谐波时，将引起谐振若谐波源中含有次数接近n的谐波，虽不会发生谐振，但也会导致该次谐波被放大而 （7）式中另从图3中看出当电容器在区间，电容器都具有放大作用令（略去R值进行分析）求出临界值 （8）因此并联电容器对次谐波均具有放大作用，需要说明的是实际上由于电阻R的存在,实际谐振要比计算值小一些图33.电抗器对谐波的抑制作用1、并联电容器临界容量从2.1的分析中得出，当谐波次数为时，电容器对谐波电流具有对谐波电流的放大作用那么如何来避免电容器对谐波电流的放大呢？只有当谐振点才能避免电容器对谐波电流的放大而（8）为避免发生谐波放大，按照上式推得的电容器临界容量计算值将远远超过实际工程配置容量2、串联电抗器抑制谐波放大因此在《供配电系统设计规范GB50052-95》规定：“当受谐波量较大的用电设备影响的线路上装设电容器组时，宜串联电抗器”。
1）电容器回路串入电抗器后，其等效电路将发生变化，如图在最低次谐波频率下呈现感性，则可消除谐波放大现象 图； (9)； (10)从理论上讲，如果补偿支路完全理想谐振，其阻抗接近于零，谐波电压就会产生很大的电流，可能使元件承受较大的过负荷通常通过选择电抗值使电容器回路在最低次谐波频率下呈现感性，则可以消除谐波放大的现象电感量L满足下列关系：,即 (11)式中为基波电抗,； 为基波电抗,；满足上述条件时，电容支路的谐波阻抗呈感性，谐波放大现象将得到抑制且将电抗器的相感抗与电容器相容抗的百分比称为电抗率目前国内主流的电抗率主要有以下四种类型：A<0.5%,4.5%,6%,12%实际设计时，考虑到电抗器和电容器的制造误差，及电容器使用时间长后电容值会变小小，通常稍加大XL或减小XC，使补偿支路呈感性而电容器主要用于无功补偿，如果减小XC，就需要增大电容器的容量从经济性上考虑，我们往往采用加大XL.的办法。
对n次谐波而言，补偿支路的阻抗，欲使为感性，必须使，一般考虑加大XL的值，取1.3~1.5的可靠系数即 (12)例如对于6脉冲整流器，最小次谐波为5次，则 (13)可取5~6%，同理对于三次谐波较大的系统，则可取12~13%2)串联电抗后补偿支路有可能与整个电网发生谐振，即，会发生严重的过电流，但在串入电抗器后，整个系统发生谐振的机率会减小谐振时的谐振次数由未串电抗器前的变为 (14)式中：短路容量;无功补偿容量从上式可以看出，未串入电抗前，谐振与短路容量与无功补偿容量有关，只需当满足一定的条件时即会谐振，但串入电抗器后谐振还与电抗器的大小有关，还需要满足一定的条件，因此串入电抗器后相比未串电抗器前，整个系统发生谐振的机率会减小3）当然在实际工程设计时候，除了考虑滤除某次谐波时，还应该提高功率因素串入电抗器后，补偿电路输出无功功率为： (15)当时，Q>0,补偿电路呈感性，吸收无功，功率因素降低当时，Q<0,补偿电路呈容性，释放无功，功率因素增加。
当时，Q=0,此次谐波完全滤除谐振电路对不同频率呈现不同的阻抗特性，在频率时，阻抗最小当频率大于时，电路呈现感性，而小于时，电路呈现容性利用这一特性，可以设计补偿电路，即可补偿功率因素，又可滤除某次谐波例如在6脉冲整流电路中，最小次谐波是5次，且含量最大，因此在通信机房设计补偿电路时，可使电路工作于5次谐振状态，而对于基波呈现容性，可提供无功功率而对于5次谐波以上的谐波则呈感性，会消弱功率补偿作用4.电抗器对补偿回路的影响（1）电容器端电压补偿电路串入电抗器后改变基波电压的分配，使电容承受比原来更高的电压以电流I为基准，电抗器的压降超前电流,电容器的压降滞后电流，两者相差外加电压U为两者向量和例如电抗率为X%（电抗率是指电抗器的相感抗与电容器相容抗的百分比）,则 (16)例如电抗率为6%的电抗器，电容器端电压为电网电压的倍电抗率为12%的电抗器，电容器端电压为电网电压的倍一般并联电容器允许长期运行在1.1倍额定电压下，因此，串入6%电抗器的电容器端电压升高6.4%是可以承受的而串入12%电抗器的电容器端电压升高13.6%，则不能使用额定电压400V的电容器，可以使用额定电压440V的电容器；或使用允许长期运行在1.2倍额定电压下的电容器。
2）回路电流电容器串联电抗器后，回路中电流也将增大电容器串联电抗率为X%电抗器后，电容器端电压为电网电压的倍，回路电流增大为原电容电流的倍因此在选配熔断器或热继电器时，要考虑适当的裕量根据民用建筑电气设计规范2008，电容器装置载流部分的长期允许电流，电压为0.4KV时不应小于电容器额定电流的1.5倍3）无功功率补偿容量 电容器组星型连接时， (17)电容器组三角形连接时， (18)式中：线电压(V)线电压(A)C0每相电容器组的电容量（F）电容器回路中串联入电抗器，造成电容器端电压升高无疑将增加无功功率补偿容量，串联电抗器又要消耗容性无功功率a)电容器无功功率补偿容量 (19)(b)电抗器消耗容性无功功率 (20)(c)实际无功功率补偿容量 (21)以6%电抗器为例，用上述公式进行计算从具体实例分析看出，电容器串联电抗器后，无功功率补偿容量不但没有减少，反而增加6.2%5.结论电容器的设计除了考虑配置容量问题外，要解决好电容器对谐波电流的放大问题，加强谐波的抑制与防范。
根据不同的背景谐波含量，选取适当的串联电抗器由电容器、电抗器和电阻适当组合而成的实质就是LC无源滤波装置，是通过在系统中为谐波提供一个并联低阻通路，以起到滤除谐波电流的作用电抗器选择可参考如下：（1）当电容装置接入处的背景谐波为3次，且含量接近或超过国家标准谐波电流允许值，宜选用12%串联电抗器2）当电容装置接入处的背景谐波为3次、5次为主，3次谐波含量较小，5次含量较大，宜选用5-6%串联电抗器3）当电容装置接入处的背景谐波为3次、5次为主，且二者含量均较大（其中之一已接近或超过国家标准），宜选用12%与4.5-6%两种电抗器混装方式以保证抑制3次谐波放大为前提该方案相比采用12%一种电抗器，可降低无功与有功损耗缺点是投切顺序必须先投电抗率高的电容器组，再投电抗率低的电容器组而切除则相反避免补偿支路对欲滤掉的某次谐波呈现容性4）当电容装置接入处的背景谐波为5次及以上为主，且5次含量较大，宜选用6%串联电抗器5）当电网中含有多种谐波成分且含量都较大时，串联电抗器的选用应使电容器支路对于较大含量的各次谐波中的最低次谐波总阻抗呈感性，此时该电容支路对于较大含量的各次谐波均不会产生放大作用参考文献[1]中华人民共和国机械工业部，《GB50052-95供配电系统设计规范》，1996[2]王兆安、杨君、刘进军编著：《谐波抑制和无功功率补偿》，机械工业出版社，1998.9[3]郑元学：《电网含谐波源时的无功补偿分析》，建筑电气，2000年1期：8-11[4]俞永杰：《串联电抗器抑制谐波抑制与电抗率的选择》，电气应用，2005，24（3）：74-779。