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摘要：在供配电工程实际案例中，我们常常需要在低压并联补偿电容器中串联电抗器，由此而产生电容器的运行电压、运行电流以及运行时实际输出容量都将发生变化。本文就低压并联补偿电容器装置中串联电抗器后电容器的运行电压、运行电流以及运行时实际输出容量的变化情况进行分析计算，并给出了一些实用计算数据。
关键词：低压并联无功补偿装置；串联电抗器；实际输出容量
引 言
近年来，各种电力电子设备被广泛应用，其中又以整流设备居多。我们经常使用的二极管整流电路就是严重的谐波源。各类办公设备，如电子计算机，打印机等都能造成谐波污染。这类电气设备的单台容量虽然很小，但是数量却极多，所以造成的谐波污染的问题也日益突出。在低压无功补偿装置上，由于谐波的放大，就有可能使并联电容器产生谐振事故，所以，对低压电网的谐波治理和无功补偿装置的改进是非常有必要的。
一、电力系统谐波分析
电力系统中所产生的谐波是由于非线性负载的存在而导致的。当对非线性负载施加电流时，由于与所加的电压呈非线性关系，就会导致形成非正弦电流，电路中就会有谐波产生。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。非线性负载包括有各种整流装置，电泳整流设备，EPS，UPS等等。目前，办公类电子设备种类繁多，在其内部存在着开关电源及整流装置，所以这类设备中也包含有各次谐波。
二、谐波对电力电容器危害.png)
谐波对低压无功补偿装置的危害主要体现在以下几个方面：
1）放大电容器损耗。谐波电流会在电容器中产生附加的功率损耗。
2）增加无功输出容量。谐波会使电容器不但发出基波无功功率，也会发出谐波无功功率。
3）引发谐波过电压或过电流。高次谐波可能使系统与电容器间产生串联谐振或并联谐振，从而时电容器产生过电压或过电流事故。
以上几种情况将会使电容器发热，造成电容器继电保护装置动作，使电容器无法投入，严重时甚至可能烧毁电容器。
所以，我们应采取一定的措施用以减少和避免谐波对电容器的危害。比较常用的方法有：降低高次谐波电流；采用滤波装置；串联电抗器等方法。
串联电抗器是一种相对简单经济的方法，因而被我们经常使用。这种方法的基本原理是：电容器串联电抗器后，就增大了感抗值，从而减小谐波电流。在选择电抗器的感抗值时，应能保证在可能的高次谐波下，使电容器回路的电抗呈感性，避免谐振的产生。
然而，在很多低压配电施工图中，虽然我们都在配电变压器低压侧母线上均接入了无功补偿电容器柜，但是，所串入的电抗器既无规格要求，也没有标明相关的技术参数。而图纸中所标注的电容器无功补偿的容量，也仅仅只是电容器的额定容量而已。在实际运行的情况下，最终所能补偿到的容量值也没能体现。必须指出的是，低压无功补偿装置中电抗器与电容器不可以任意组合，我们要依据低压电网的实际负荷情况以及所产生谐波的种类及各次谐波含量后，通过必要的计算，才能确定电抗器的参数。电容器及其配套电抗器如果任意配合使用，就有可能造成谐波电流放大，严重时可能导致谐振的产生，进而对电容器及系统安全造成很大的威胁。
三、串联电抗器的作用
我们会在低压电网并联无功补偿装置中串联电抗器，其作用为：
1）限制电容器投入时合闸涌流，当电容器投入的瞬间，由于电容器无充电，无反向电势，合闸瞬间，如同短路，只有线路的阻抗起限制电流作用，因此瞬时电流可达额定电流的百倍以上，不过时间短促，仅持续毫秒或微秒级。由于接入电网的电容器为多组组合，当投入或切除任一组电容器时，其它运行的电容器会向投切电容器进行充放电，这也是俗称的电容器组背对背效应，增加了电容器的投切困难。尽管目前采用电容器投切专用接触器，此接触器带有操作时接入的过渡电阻进行限流，但还是经常损坏接触器，电容器柜内投切用接触器可谓十足的易损元件了。
2） 防止电网谐波放大及谐振的发生
3） 限制操作过电压
4） 限制短路电流，当电容器发生短路故障时，能限制系统向电容器短路点注入短路电流。当系统其它地方发生短路或电抗器电源侧发生短路时，能限制电容器向系统的反馈电流。
5） 抑制流向电容器的高次谐波，使之不使电容器过电流损坏。众所周知，谐波次数越高，电容器呈现的阻抗越低，这样造成大量谐波电流涌入。若不采取措施，如对电网采取谐波控制或串联电抗器，电容器很难胜无功补偿作用，很快由于涌波涌入造成过流而损坏。
6） 电容器允许使用在电流达1.35倍额定电流下长期工作，这对高次谐波来说，只要串联电抗器与电容器合理搭配，即可起到滤除部分高次谐波的作用。需要指出的，滤除高次部分谐波，只是补偿回路的一点附加作用，绝不能作为滤波器使用，否则，则影响了无功补偿的初衷。另外，电抗器与电容器要合理搭配，不得使电抗器与电容器发生串联谐波，使之回路电流达到短路电流水平而损坏元件的设备，也不能使电抗器与电容器串联回路呈容性，以便防止回路与系统感抗发生并联谐振而使谐波被放大污染系统。
《并联电容器装置设计规范》GB50227—2008第5．5．2条对用于抑制谐波的电抗器的电抗率做了规定：“用于抑制谐波，电抗率应根据并联电容器装置接入电网处的背景谐波含量的测量值选择，当谐波为5次及以上时，电抗率宜取4．5％～5％；当谐波为3次及以上时，电抗率宜取12％：亦可采用4．5％～5％与12％两种电抗率混装方式。”
补偿电容器串联电抗器后，电容器的实际运行电压、运行电流和运行时的实际输出容量都将发生变化，特别是电压和输出容量的变化，对电容器的选择和补偿容量计算有较大影响，下面就针对这些问题展开分析讨论。
四、串联电抗器的正确选择
1.串联电抗器电容器端电压提高及电容器额定电压选择
电抗器感抗值的选择应使在可能产生的任何次谐波下，均使电容器回路的总电抗为感性，消除谐振的可能：
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N：可靠系数，一般取1.2~1.5
n：可能产生的谐波次数
当电容器串联电抗器后，会使电容器的基波电压升高，升高的幅度与串联电抗器的电感有关。
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由上式可知，当系统电压为0．4KV时，串联5％电抗器后，电容器的实际运行电压将达0.421kV，当串联12％电抗器时，容器的实际运行电压将达0.455kV。
因此，我们在选择电容器时，要结合串联电抗器后，电容器端电压的升高的情况，选择适当额定电压的电容器。电容器额定电压选择过高，将导致无功容量浪费，从而增加投资；选择过低，电容器长期处于过电压状态，将会对电容器的寿命造成较大影响，严重时甚至引发电容器烧毁的事故。
在当前使用的低压电容器产品中，常用的额定电压等级有0．4kV、0．440kV、0．480kV、0．525kV。因为电容器在1．1倍额定电压下可以长期运行，当采用5％电抗器时，可选0．4kV 或0．415kV额定电压产品；当串联12％电抗器时，可选0．440kV 或0．48kV以及0．525kV额定电压产品。
2.串联电抗器后电容器电流及容量的变化
对于选定的电容器，其容抗是定值，根据电容器额定参数和串入电抗器后电容器的端电压变化，我们可以推导出电容器的实际容量：
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式中：
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a：电容器实际运行电压与额定电压的比值。
根据电容器的实际运行容量，可计算出电容器的实际运行电流
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依据上式，在串联电抗器后，低压并联无功装置的实际运行电流并不是电容器的额定电流。设置过负荷保护时，继电保护的整定值应按实际运行的计算电流选择。如果仍然按电容器额定电流整定，特别是电容器额定电压选得较低的情况下，很容易造成误动作。
电容器与电抗器通过的电流时相等的，由此我们可以计算出电抗器在实际运行情况下的运行容量。
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最后我们可以得出电容器串联电抗器后对于系统来说，它的实际输出容量：
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3.常用电容器串联电抗器后的输出容量及回路电流
由于串电抗器后，电容器电抗器组的输出容量和回路电流计算比较麻烦，为了使用方便，在此特把常用的电容器串联电抗器后的参数变化做成表格，以便设计时查询。
这里选择了四种情况进行了计算列表，见表1～表6。
表1 电容器额定电压400V 串5％电抗器的输出容量.png)
表2 电容器额定电压415V 串5％电抗器的输出容量.png)
表3 电容器额定电压440V 串7％ 电抗器式的输出容量.png)
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表4 电容器额定电压480V 串7％电抗器的输出容量.png)
表5 电容器额定电压480V 串12％电抗器的输出容量.png)
表6 电容器额定电压525V 串12％电抗器的输出容量.png)
从上表中我们可以看出，串联电抗器后，电容器组的输出容量会有变化。当选用较高电压电容器，电容器组的输出容量降低的程度与串入电抗器的大小有关，电抗器越大，降低越多。当选用较低电压电容器，利用电容器过载能力时，容量虽有所提升，但须防止过压对电容器的损害。
五、小 结
补偿电容串联电抗器的作用是抑制谐波对电容器的危害，使补偿电容器能够正常运行。这是一种防范措施，他不能从根本上解决谐波问题，如果谐波较严重，应采取滤波措施。
电容器串联电抗器后，在同样的系统电压情况下，会导致电容器端电压升高，所以选择电容器时应考虑电容器的额定电压，防止过电压损坏电容器。
串联电抗器后，由于电抗器的容量将抵消部分电容器的容量，同时由于串入不同电抗器，导致电容器实际容量与额定容量不一致，对系统的输出的容量是有较大变化的。而作为补偿装置，我们的需要的补偿容量就是这个输出容量。所以设计时应作相应的计算，不能以电容器额定容量作为补偿容量计算。
参考文献：
[1]钢铁企业电力设计手册编委会编，钢铁企业电力设计手册．北京：冶金工业出版社，1996：417
[2]中国电力企业联合会，并联电容器装置设计规范．北京：中国计划出版社．2009：16