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摘要介绍了电力系统中谐波的产生及危害；分析了使用动态无功补偿装置（包括主电路和控制器） 的优势； 阐述了电容器前串接电抗器来消除谐波的作用。
关键词谐波 晶闸管 电抗器 无功补偿
1 引言
目前， 低压并联电容器组分为三角形接法（△） 和星形（ Y ） 接法， 静态无功补偿以交流接触器作电力电容器的投切执行元件， 投入时冲击电流大， 切除时会产生过电压， 自身触头易损甚至熔焊， 噪声大， 而且投切时间长。在控制环节上基本不能满足分相、分级、快速及跟踪补偿的要求， 并且大多都没有安装7% 的解调电抗器。
而动态无功补偿是以晶闸管作为执行元件， 用工业PC 机进行控制， 通过跟踪检测负荷的无功电流或无功功率， 对多级电容器组进行分相投切。补偿效果快速、准确、安全、洁净及易于控制。
2 动态无功补偿装置
2． 1 动态无功补偿装置的原理
无功补偿是对电源而言的， 负荷的无功电流和功率因数不会因为并联电容而改变。
将负荷视为等效星形， 则线电流就是等值负荷星形的相电流， 见图1 。无功补偿的作用就是补偿线电流I L1中的无功分量， 即滞后对应相电压UL1 90° 的无功电流分量IL1Q， 这是对L1相而言， 其他两相与此类同。
因此检测电源变压器出线端的星形相电压和出端的线电流， 然后进行相应的计算就是投切电容最直接、最有效的手段。相电压的获得很简单， 因为相电压和电压在大小、相位上都有简单明确的关系， 无功电流分量的获得可以通过φL1角的采样测量或是计算得到。
在三相平衡的电力系统中， 仅需检测一相的相电压和相电流。由于相、线关系简单明确， 检测电源端的线电压和线电流就可获得必要的数据， 进行电容的投切。
2． 2 动态无功补偿装置的主电路接线
图2 为补偿电容Y 形连接， 各相电容分相投切。图3 为补偿电容△ 形连接。两者不同之处在于： 前者的电容承受的电压是后者的1 / 3 %姨 ， 如果电容量相同， 前者的电流也是后者的1 / 3 %姨 。前者产生的超前无功功率是后者的1 / 3。
在三相不平衡的电力系统中， 由于单相设备的存在（例如大量使用380V 的单相电焊机车间）， 三相电源变压器对适当配组后的单相负荷群供电， 就构成了三相不平衡系统， 对这种系统而言， 要求适时、动态分相补偿。
图2 中的补偿电容Y 形连接， 各路电容分相投切。将负荷视为等效星形， 因此检测变压器出线端的三个线电压和三个线电流分别对每相进行电容投切。
图3 中的补偿电容△ 形连接。将负荷视为等效三角形， 判断负荷相电流的滞后无功电流分量是很困难的（姑且不说不能准确判断）， 因此进行电容的准确投切也是十分困难的。此外， 电容的△连接方式，由于晶闸管的阴极处在不同的高电位， 控制电路和主电路的电气隔离是一个很麻烦的问题。
三相电力电容器接成Y 形以满足分相补偿的要求， 使电源变压器输出的有功功率最大。Y 形连接的优点是不但可以补偿正序的无功功率， 而且可以补偿零序的无功功率。
如果补偿电容器为三相对称△形接法， 而电源变压器所接的三相负荷又不对称， 当补偿后三相总功率因数等于1 时， 就会出现有的相欠补偿， 有的相过补偿。欠补偿时， 受电端电压低于送电端电压； 过补偿时， 受电端电压高于送电端电压。考虑到线路电压损失， 一般送电端电压要高于额定电压5 % ～ 10 %。在过补偿的情况下， 再加上电压升高， 则受电端电压超过额定电压的数值就远远大于10 %。如果电容器并联于变压器的二次侧， 变压器的阻抗也要计入线路的阻抗， 于是受电端电压将升高得更多。运行电压的升高， 对电力电容器及整个系统的安全运行会产生极不利的影响。另外， 三相不对称负荷采用三相对称△形接法的电力电容器组进行补偿， 则变压器的容量得不到充分利用。Y 形连接电容器组的每相电容器按1 ∶ 2 ∶ 4 ∶ 8 关系分四组进行补偿， 以提高静态补偿精度。不同组的电容器容量不同， 晶闸管的额定电流也不同。
2． 3 控制器
控制器的设计应考虑检测方法简单、快速， 以满足跟踪补偿的要求； 同时还应考虑晶闸管的可靠触发、抗干扰和装置闭锁等问题， 以提高装置的可靠性。无功功率补偿装置的响应时间， 是补偿装置重要的指标之一。使用晶闸管代替传统的接触器作为电容器的投切装置， 从网络检测、运算（控制器部分），到触发晶闸管模块， 直至投切电容器组实现无功补偿， 总的响应时间≤ 20 ms。
为防止和减小在电容器投入时产生的浪涌电流（浪涌电流过大会影响电容器的寿命）， 动态无功功率补偿装置采用了电流过零触发技术， 电容器组投入时不产生浪涌电流， 不会对电容器及电子开关等器件造成损伤， 延长了电容器、晶闸管模块的使用寿命。
动态无功补偿装置的控制器是以数字信号处理器为基础， 在电网每一个周期对所有数据进行分析，能在1 ms 内计算出所需的无功补偿， 所有相的谐波分量同时被计算出来， 在有谐波的情况下也能进行理想的动态补偿。控制器具有自诊断和综合的图文报表功能， 通过RS485 或RS232 通讯接口能与上位机实现通讯。可以进行复杂的系统测试， 实时监控设备的运行情况， 使用户对配电系统各种电力参数有全面的了解。
3 动态无功补偿装置对谐波的治理
3． 1 主要谐波源设备
作为谐波源的非线性负荷一般分为以下几类：① 传统非线性设备， 包括变压器、旋转电机及电弧炉等。② 现代电力电子非线性设备， 包括荧光灯、电子控制装置、变频器等。③ 用于直流电机驱动、直流稳压电源、充电器等的整流器。
3． 2 谐波的危害
谐波造成的影响基本分为三方面： 热应力、绝缘应力、负荷设备损坏。谐波会增加设备的损耗而加剧热应力。谐波使电压峰值增大， 这种电压升会导致绝缘应力升高， 最终有可能使电缆绝缘击穿。由于电压畸变还会引起设备故障或损坏。主要表现在以下几个方面： ①电力电容器引起的谐波放， 导致电容器因过流而损坏。②增加旋转电机的损耗。③ 增加输电线路的损耗， 缩短输电线路寿命。④增加变压器损耗。⑤造成继电保护、自动装置工作紊乱。⑥引起电力测量的误差。⑦干扰通讯系统。
3． 3 谐波的治理
无功补偿装置的设计除了满足分相、分级和快速补偿要求外， 还应考虑限制并联电容器组的合闸涌流和抑制高次谐波等问题。
根据国标《并联电容器装置设计规范》
（ GB 50227 - 95） 第5. 5 条用于抑制涌流和抑制谐波的电抗器， 当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为5 次及以上时， 电抗率宜采用4 . 4 % ~ 6 %； 当并联电容器装置接入电网处的背景谐波为3 次及以上时， 电抗率宜采用12 % …… 因为一旦发生谐振，谐振电流将达到数百倍的电容器额定电流， 足以损坏电容器， 严重时甚至导致低压配电系统的崩溃。
在常规有接点控制的电容补偿柜中， 都没有安装7 % 的解调电抗器， 电容器的使用寿命短甚至发生爆裂， 与其都有一定的关系。近年来在欧美各国都十分重视这一问题， 笔者所见到的国外无功功率补偿装置， 在电容器前都串接了该电抗器。
动态无功功率补偿装置在平衡补偿系统中电容器前串接了7% 的解调电抗器， 在不平衡补偿系统中电容器前串接了14% 的解调电抗器， 以防止电容器组与电网产生5 次、3 次谐波并联谐振。
4 结论
电力电容器作为补偿元件， 晶闸管作为执行元件， 用工业PC 机进行控制， 可实现低压配电网的动态分相补偿， 从根本上保证了补偿的快速性、准确性和合理性。另外， 动态补偿能限制电容器的合闸涌流， 提高供电质量， 确保配电网的安全、经济运行。