谐波与电容器

来讲是可以接受的；但对于敏感的电脑或控制类负载来讲显的太高了。因此 IEC 61000-2-4 将对电源干 扰十分敏感的设备如某些电脑，某些自动化和保护设备以及实验室中电气装置定义为 1 类电磁环境。对 于 1 类电磁环境，IEC 61000-2-4 规定 THDv 允许值 5％。 3．对于公共电网，表 1 的限值是指在公共连接点的允许值。公共连接点反映了联接在电网上的所有负 荷。请注意 IEC 61000-3-6 和 IEC 61000-3-7 技术报告建议供电部门采取措施限制单个装置和大负荷的 谐波发射。
Ssc
:
Qreactive_power:
共振频率 电网基频 电容器联接点的短路容量，通常接近于馈线变压器的短路容量 联接到电网的容性无功功率
如果共振频率接近谐波频率将会引起共振，放大电网谐波畸变，增加电容柜谐波分量。
例子：
假定 5 组 25 kvar普通电容器构成一电容柜。电容柜联接到 400 V/50 Hz电网。馈线变压器变比 15 kV/400 V, SN = 600 kVA, ucc = 5.5 %。中压电网UMV = 15 kV ，SSC = 100 MVA（公共连接点）。可以 忽略电网自身畸变，电网电压水平稳定在额定值。工厂里主要负荷是一台 200 kW电机。电容柜设定在 自动补偿模式，目标功率因数 0.92。
4 (100 kvar) 522 (近 11th)
0.89
100
5 (125 kvar) 467 (近 9th)
0.93
100
a 包含谐波的电容电流与电容额定电流的比率。电容额定电流为 100％
从表 2 可以得出，投入电容过程中共振频率会相应改变。在本例中假定供电电网自身没有谐波， 工厂负荷也不产生谐波，因此电容柜中无电流谐波。投入 5 组电容后，达到目标功率因数。
Ö 第 2 步：电网自身有畸变，负荷不产生谐波 下一步假设：联接在同一中压电网中的其它工厂引起的畸变污染了供电电网。假定电容柜没有联接在 电网时，谐波电压总畸变率约 5％。表 3 显示电网自身有畸变时投入电容柜补偿电机负荷，此时的共 振频率和电网功率因数，谐波电压总畸变率，以电容额定电流百分比表示单台电容电流。同时假设电 网电压保持额定值恒定。
表 3 可见：虽然工厂里没有谐波负载，甚至初始电网畸变率在允许范围内，工厂中的设备还是承 受了相当大的谐波分量。虽然没有联接电容器时电网谐波电压总畸变率是 5％，但投入电容引发 共振后竟达到 8％。由于谐波电压总畸变率增加，敏感的电子设备可能出现故障。再者可见电容 柜中电容电流增加到 125％（短期），但还在 IEC 60831-2 规定的限值之内。
10
130
a 包含谐波的电容电流与电容额定电流的比率。电容额定电流为 100％
b 在数学模型中，已使用限流阻尼。实际上电网中的阻尼可能会更高，那样电容电流和谐波电压总畸变
率增加得更少
表 4 可见：当不投入电容柜时，谐波电压总畸变率 THDv 符合 IEC 61000-2-4 中 2 类电磁环境的 门限(THDv < 8%). 2 类电磁环境包含普通工业设备。当投入电容器引起谐振，谐波电压总畸变率 THDv 和电容器电流均达到难以承受的程度，造成已投入电容器上极大的谐波电流。当投入所有 电容器，THDv 达到 10％，电容器电流达到 130％。本模拟计算中采用的数学模型使用的阻尼较 小，实际上因为其它负载的存在，阻尼会更大。那样的话，电容电流和 THDv 增加值会比表 4 要
备注： 1．虽然 IEC 61000-2-2 适用在低压电网的公共连接点（在许多案例中大用户拥有自己的中压/低压变压 器，此时标准并不适用），其规定的限值和 IEC61000-2-12 [4]以及 IEC 61000-2-4 [5]中 2 类电磁环境 相同。IEC61000-2-12 适用在中压电网的公共连接点。IEC 61000-2-4 中 2 类电磁环境适用在低频干扰 的工厂，通常指工业中‘正常’电源和没有联接‘敏感’负载的其它非公共电网。 2. IEC 标准通常允许在公共连接点谐波电压总畸变率 THDv 8％。这与 IEEE 519 [6]规定 69 kV 以下电 网公共连接点谐波电压总畸变率 THDv 小于 5％（各次谐波分量限值 3％）不一致。另一个被广泛接受 的英国 G5/4[7]标准也规定 THDv 小于 5％。通常认为，虽然 8％的电压畸变率对于传统（工业）装置
0.2
10 ≤ h ≤ 50
0.25x(10/h)+0.25
a: 3 整数倍的奇次谐波的限值适用于零序分量。在没有零线或没有负载连接在相线和零线之间的三相电网中，根
据系统的不平衡度，3 次和 9 次谐波数值可能远小于表中的限值。
表中的允许值是指准稳态和稳态下的谐波，供长期运行参考。谐波电压总畸变率允许值为 8％。
表 4：负荷产生谐波情况下投入普通电容柜：共振频率，功率因数，谐波电压总畸变率和电容柜
电流
投入电容组 数
共振频率fr [Hz]
功率因数 DPF [-]
谐波电压总畸变 包含谐波的电容电
率 THDv
流a,b [%]
[%]
0 (0 kvar)
-
0.7
7
-
1 (25 kvar)
1050 (21st order approx.) 0.75
谐波污染电网中补偿电容器选用原则
Kurt Schipman （ABB Jumet S.A.）刘骏（ABB 中国有限公司）
摘要：本文用于回答用户在谐波污染电网中应使用何种形式的电容柜。根据仿真计算和规范标准，提
出了适用于谐波电网的电容柜类型,最后总体介绍了通用的 ABB Jumet 电容柜产品系列.
关键词：普通电容器，电抗器，公共联接点，谐波，谐波电压总畸变率，共振频率
Ö 第 3 步：电网自身没有畸变，负荷产生谐波 最后用六脉冲直流变频器和电机组合替代前例中的电机。此类负荷典型功率因数 0.7。在本例中，变 频器启动后负荷产生的典型谐波为(6⋅k±1) 次 k = 1,2,3, …,即 5, 7, 11, 13, …假定电网自身谐波可以忽 略。变频器启动，每间隔 40S 投入电容器以补偿变频器的无功功率。在负荷产生谐波的情况下，表 4 显示投入电容组数，相应的共振频率和电网功率因数，谐波电压总畸变率，以电容额定电流百分比表 示单台电容电流。
2．普通电容器联接到有谐波的电网
当普通电容器联接到存在谐波的电网上，如果电容器容抗和电网感抗产生共振频率接近谐波频率，就存 在共振的危险。普通电容器联接到电网上产生的共振频率可用公式 1 计算。
f r = ffundamental ⋅
Ssc Q reactive_power
(1)
fr
:
ffundamental :
17
325
2 (50 kvar)
740 (15th order approx.) 0.79
15
216
3 (75 kvar)
603 (12th order approx.) 0.84
21
247
4 (100 kvar) 522 (11th order approx.) 0.89
12
156
5 (125 kvar) 467 (9th order approx.) 0.93
0.75
6
122
2 (50 kvar)
740 (近 15th )
0.79
7
124
3 (75 kvar)
603 (近 12th)
0.84
8
125
4 (100 kvar) 522 (近 11th)
0.89
8
119
5 (125 kvar) 467 (近 9th)
0.93
8
115
a 包含谐波的电容电流与电容额定电流的比率。电容额定电流为 100％ b 在数学模型中，已使用限流阻尼。如果电网中阻尼更高，那么电容电流更低.
投入电容组
共振频率
功率因数
包含谐波的电容电流a
数
fr [Hz]
DPF [-]
[%]
0 (0 kvar)
-
0.7
-
1 (25 kvar) 1050 (近 21st.)
0.75
100
2 (50 kvar) 740 (近 15th.)
0.79
100
3 (75 kvar) 603 (近 12th)
0.84
100
1．电容器和谐波分量：IEC 标准
ABB 电容柜中的电容器符合 IEC 60831-1 [1] 和 IEC 60831-2 [2]标准. 当电网中存在谐波时，电容器可
承受以下最大允许电流负荷：
A. 在额定正弦电压额定频率下，单台电容器必须可在 1.3 倍均方根线电流下连续工作（不包含瞬
态）。此电流过流系数考虑到谐波和过电压的综合效果。
B. 在存在谐波的情况下最大允许持续电压需满足此时电流不超过上述 A 条中的最大电流。
当电网中的谐波和间谐波符合 IEC 61000-2-2 [3]的限值要求时，IEC 60838-1 进一步要求电容器可以连
续工作。IEC 61000-2-2 的规定限值见表 1。
。
表 1：低压电网中各次谐波电压允许值
Ö 第 1 步：电网自身没有畸变，负荷不产生谐波 电机启动后功率因数下降到 0.7。负载不产生谐波。电容柜每间隔 40 s 投入电容器，直到达到目标功 率因数。表 2 显示投入电容组数，相应的共振频率和电网功率因数，以电容额定电流百分比表示的单 台电容电流。
表 2：在没有谐波情况下投入普通电容柜：共振频率，功率因数，电容电流
- 如装置中有对谐波敏感设备，电压谐波总畸变率 THDv 不应超过 5%。如果有谐波（例如没有联 接电容器时 THDv ≥ 2%），更谨慎的方法就是使用失谐电容柜以避免由于共振放大使 THDv 超 过 5％，在装置内部潜在地造成损害。