1 諧振
諧波與并聯(lián)電容器在低壓電網(wǎng)中并存時，怕的就是引發(fā)串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振。
1.1串聯(lián)諧振
若諧波來自電源系統(tǒng)，則變壓器的電抗和低壓并聯(lián)電容器的電容在一定的參數(shù)下配合，就能引發(fā)串聯(lián)諧振，一臺Uk為6%的1000kVA變壓器，在低壓母線上接有160kVar的并聯(lián)電容器，結(jié)果引發(fā)了11次諧波的諧振，使電容器中的11次諧波電流達(dá)175A，電容器中的基波電流只有233A，總有效電流Iceff為313A，過載1.35倍，已超過允許值1.30倍。負(fù)載母線上11次諧波電壓畸變系數(shù)達(dá)6.9%，也已超過允許值，而低壓電源(含變壓器阻抗ZT在內(nèi))母線上的畸變率只有1.5%。
1.2并聯(lián)諧振
若諧波源來自低壓側(cè)的非線性負(fù)荷，例如變頻器，則變壓器的電抗(加上電源系統(tǒng)的少量電抗)和低壓側(cè)的電容可構(gòu)成并聯(lián)諧振，低壓側(cè)接有300kvA的驅(qū)動裝置，其它如變壓器和電容器參數(shù)同，1.1節(jié)串聯(lián)諧振中的實例，結(jié)果引發(fā)11次諧波的并聯(lián)諧振，使電容器中11次諧波電流達(dá)到212A，已大于電容器中基波的90%，總有效電流達(dá)334A，過載1.45倍，也超過允許值1.30倍，其實負(fù)載的11次諧波電流才39A，又11次諧波電壓的畸變率已達(dá)8.3%，大大超過允許值。
2 避免諧振的措施
措施之一為改變網(wǎng)絡(luò)元件的電抗電容量值，然而，它的可能性不大，特別當(dāng)電容器組是自動控制的場合，將有許多諧振條件都要考慮。同時要注意，即使系統(tǒng)參數(shù)只是接近諧振頻率也能使電容器組過電流和電壓畸變率超過標(biāo)準(zhǔn)。
常用的方法是與電容器串聯(lián)一個電抗器，調(diào)諧的諧振頻率低于網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的最低次諧波的頻率，這樣，無論是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振就不會發(fā)生。
現(xiàn)代的工業(yè)和建筑物電網(wǎng)中完全沒有諧波電壓和電流是不可能的，那么是否凡并聯(lián)電容器都要串電抗器呢？那也不一定，如果需要串，電抗值取多少呢？下面著重討論1000V以下低壓電網(wǎng)情況。
2.1并聯(lián)電容器組(不串電抗器)
當(dāng)不存在諧振條件即電網(wǎng)的電抗值和并聯(lián)電容器的電容值所構(gòu)成的諧振頻率比較高而負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流和母線的諧波電壓又很低時，此時，不需要考慮降低諧波值，但是IEC標(biāo)準(zhǔn)[1]并未給出劃分界線的具體數(shù)據(jù)。筆者認(rèn)為，諧波次數(shù)≥17就可以不考慮，即諧振頻率≥17次諧波。15次諧波是3的整數(shù)倍，一般只存在于單相220V的設(shè)備中，這樣只考慮到了13次就可以了。什么場合一定要串聯(lián)電抗，GB對此問題沒有提及，廠家在樣本中規(guī)定的條件為GN/SN＜15%，GN為產(chǎn)生諧波設(shè)備的現(xiàn)在功率。SN為變壓器視在功率。筆者認(rèn)為產(chǎn)生諧波的設(shè)備類型有幾種，發(fā)射諧波電流的大小也不同，還與一些外部條件的變動有關(guān)。因此，規(guī)定 GN/SN＜15%似乎并不明確說明什么問題，還不如IEC標(biāo)準(zhǔn)的條件，至少概念上是明確的。
2.2失諧濾波器(detuned filter)
失諧濾波器是一種濾波器，它的調(diào)諧頻率比有相當(dāng)大(considerable)，電壓(電流)副值的最低次諧波頻率還要小過10%多。
以5次諧波為例，其頻率為250Hz，小過10%即為225Hz，因此失諧濾波器中的電抗值與電容量之比應(yīng)大于4%/0.81即＞5%。
2.3調(diào)諧濾波器(tuned filter)
調(diào)諧濾波器是一種濾波器，它的調(diào)諧頻率偏離于被過濾的頻率不得大于10%。因此對5次諧波而言，它的相對電抗值(或電抗率)X%應(yīng)為4%＜X%＜5%。
2.4并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范的規(guī)定
該規(guī)范中5.5.2.2規(guī)定“用于抑制諧波，當(dāng)并聯(lián)電容器裝置接入電網(wǎng)處的背景諧波為5次及以上時，電抗率宜取“4.5%~6%”?？梢?，并沒有區(qū)分失諧濾波器和調(diào)諧濾波器。其實，對補償用并聯(lián)電容器而言，調(diào)諧和失諧濾波器對基波都是容性電抗，都有無功補償能力，只是大小程度不一樣，調(diào)諧濾波器的無功補償能力強。調(diào)諧或失諧的區(qū)分，是對指定的諧波次數(shù)進(jìn)行濾波而言的。兩者都有濾波器(抑制諧波)的能力，只是調(diào)諧濾波器的濾波能力更加強。
對于GB這一條的術(shù)語“抑制諧波”似乎應(yīng)是調(diào)諧濾波器，因而電抗率取4.5%~6%，IEC的要求為4%
3 以上3種裝置應(yīng)用中的注意點
并聯(lián)電容器、失諧濾波器、調(diào)諧濾波器這三種裝置在應(yīng)用中的注意點如下。
3.1并聯(lián)電容器
通常對一臺配電變壓器而言，并聯(lián)電容器可以分散多級配置，已經(jīng)安裝好投入運行后，如果情況變化再來考慮避免諧振的問題，就會非常困難，即使只在一處裝有補償并聯(lián)電容器，也不能串聯(lián)電抗器就完事，因這將使電容器過流和過電壓。因此在確定選用那種裝置時，不但要分析網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的諧波情況，還要考慮到將來情況的變化。
3.2失諧濾波器
如上所述，它不能利用已運行的并聯(lián)電容器串聯(lián)電抗器來構(gòu)成，通常它也不能和并聯(lián)電容器或和調(diào)諧濾波器混裝在一起并聯(lián)運行，因為在它們之間的諧波負(fù)載的分配不大可能剛好和它們的定額參數(shù)相匹配，結(jié)果將造成部分裝置的過載。
3.3調(diào)諧濾波器
通常，濾波器調(diào)諧的頻率只考慮奇數(shù)次特征頻率，不考慮3的估算次，即只考慮5，7，11，13，17，19等次數(shù)，但是當(dāng)有接于線間或線一中線間的單相負(fù)載時，就要考慮3及3的倍數(shù)次諧波。在分合操作時，全部濾波器單元應(yīng)同時進(jìn)行，假定要求分開單獨操作，在合閘時，先合5次，再7、11次等按上升規(guī)律進(jìn)行，分閘時，則將順序倒過來，即先分?jǐn)嘧罡叽蔚摹?/span>
同一調(diào)諧頻率的濾波器的并聯(lián)運行可能會帶來兩個問題:
(1) 由于參數(shù)的偏差，不可能有完全相同的諧波阻抗，致使有的可能過載;
(2) 有可能在彼此間引發(fā)并聯(lián)諧振
在這種場合將運行中的彼此間的中間點(即電抗器和電容器的連接點)用附加的觸點連接起來是有利的辦法。
4 相對電抗值的大小決定了是哪類濾波器
對5次諧波而言，相對準(zhǔn)確諧振時的相對電抗值是4%，按IEC標(biāo)準(zhǔn)[1]的規(guī)定，X%＞5%是失諧濾波器。
4.1為何對4%一定要有一些偏離
這是考慮部件電容值和電抗值在制造中的容差，受溫度和老化的影響，受電流變化的影響，而且電網(wǎng)的基波頻率也可能略有變化。
4.2這么小的偏離值是否太嚴(yán)格
偏離4%愈小，濾波效率愈高，當(dāng)然是好事，但對電抗器的設(shè)計制造提出了嚴(yán)格要求。IEC的要求:電抗值制造容差為±3%對大多數(shù)濾波器應(yīng)用是可以接受的。當(dāng)負(fù)載電流從額定值到最大值時，電抗值的變化不能＜5%。通常低壓濾波器電抗器帶鐵心，正常運行中的任何情況下鐵心都不應(yīng)飽和(變成非線性)和發(fā)生鐵磁諧振，IEC沒有對電容器電容值的容差提出要求，電容值的容差按自愈式低壓電容器中的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對＜100kVar為-5%到+15%。對>100kVar為0%到+10%，因此電容值偏差也是不能忽略的，要整體考慮電抗值和電容值的制造容差，因此實際產(chǎn)品的X%取值靠近5%，也是完全可行的，GB取值4.5%＜X%＜6%在設(shè)計制造上相對較易，但濾波器效率要差。
5 失諧與調(diào)諧還有那些不同？
工業(yè)與建筑電網(wǎng)中有一定量的諧波時，工程設(shè)計是選擇失諧濾波器還是調(diào)諧濾波器？以5次諧波為例，這兩者的區(qū)別若以相對電抗作為分界線，在這一點是差別不大的，但是在下列各點上都有不小的差別。
5.1功能上的不一樣
調(diào)諧濾波器的相對電抗為4%＜X%＜5%，愈接近4%濾波效果愈好，因此其功能主要是濾波，附帶有無功補償功能。失諧濾波器的相對電抗X%＞5%，也有濾波功能和無功補償功能，但X%愈大，這兩項功能的效果就愈降低，其主要功能目標(biāo)是無功補償。
5.2部件的定額選擇不同
調(diào)諧濾波器的電流要考慮通過的諧波電流和基波電流(無功)，設(shè)計時要確定諧波電流，(確定X%后，就都可算出)。失諧濾波器設(shè)計時要先確定補償無功的功率，確定X%后，即可計算出諧波電流，至于電抗和電容分別承受的電壓計算方法對兩種濾波器都一樣，不過失諧濾波器中的電容器承受的電壓比電網(wǎng)額定電壓要更高一些。
5.3對部件的性能參數(shù)的要求不同
調(diào)諧濾波的X%限制在4%和5%之間，只有1%的的區(qū)間，由于要考慮溫度和負(fù)載的變化等對X%產(chǎn)生的不利影響。因而對部件的設(shè)計制造或選擇都提出了嚴(yán)格的要求，如上面4.2節(jié)介紹的那樣，而失諧濾波器的X%限制為＞5%，自由空間較大，X%比5%大得多一點，如6%或7%或更大，也不會出現(xiàn)嚴(yán)重問題。諧調(diào)濾波器則不同，一旦實際的X%小于4%，就有與電源電抗或其它濾波器發(fā)生諧振的可能，其不良后果要嚴(yán)重得多。
5.4價格上的可能不同
由于調(diào)諧濾波器對部件的性能參數(shù)的容差和穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，和失諧濾波器相比，在承載定額相同的條件下，前者的價格會高些，后者由于容抗和感抗要多抵消一些，對價格也有一些升高，但估計對價格不會有大的影響。
6 選調(diào)諧還是失諧，或純并聯(lián)電容器
6.1并聯(lián)電容器
如前面2.1節(jié)所述，當(dāng)不存在諧振條件即電網(wǎng)的電抗值和并聯(lián)電容器的電容值形成的諧振頻率比較高(例≥17次)而負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流和母線的諧波電壓又很低時，則選用純并聯(lián)電容器。
6.2調(diào)諧還是失諧？
前已說明，兩種濾波器均串有電抗器，均能避免諧振，均能補償無功，也均能補償諧波，只是調(diào)諧比失諧濾波器同時對二者的補償能力要高。如果現(xiàn)在電網(wǎng)的諧波電壓已經(jīng)超標(biāo)，毫無疑問要選用調(diào)諧濾波器，如果現(xiàn)在電網(wǎng)的諧波電壓比標(biāo)準(zhǔn)的容許值低，而現(xiàn)在可以予計到將來有諧波源負(fù)載增加，超標(biāo)的可能性極大，寧肯現(xiàn)在就裝上調(diào)諧濾波器，將來加裝規(guī)格性能相同的調(diào)諧濾波器也容易些，它們的并聯(lián)運行使過濾的諧波電流也易于實現(xiàn)均勻分配，如果不考慮發(fā)展，只顧目前裝設(shè)失諧濾波器，一旦諧波負(fù)荷增加，就要改裝為調(diào)諧濾波器，但改造起來是費事的?，F(xiàn)代由于生產(chǎn)工藝和節(jié)約電能，都有可能將異步機改造成變頻調(diào)速，已有一些工礦企業(yè)諧波負(fù)荷逐年增長，致使原有的并聯(lián)電容器由于諧振不得不退出運行，也不得不承受低功率因數(shù)罰款，此外諧波電壓還使系統(tǒng)運行變得困難。
要注意，無論失諧或調(diào)諧濾波器都有無功補償能力，工程設(shè)計時要事先考慮到，無功補償可能會形成過電壓。
避免諧振有兩層含義，即:
系統(tǒng)參數(shù)的自然諧振頻率不在低次諧波區(qū);
即使在低次諧波區(qū)，但電網(wǎng)的低次諧波電壓值很低，其能量不足以維持諧振。
(1) 系統(tǒng)的自然諧振頻率，如果諧波來自中壓，則是變壓器電抗和電容器容量構(gòu)成串聯(lián)諧振。如果諧波來自低壓側(cè)，則是并聯(lián)諧振，其諧振頻率的近似值均可用下式表示:
式中: f1—基波頻率;
XC1—基波下的電容器容抗;
XT1—變壓器短路阻抗。
要注意，并聯(lián)電容器如果有多組可以投切時，則XC1相應(yīng)于各組的值都要考慮，按照上式近似值，就可以判斷自然諧振頻率在什么區(qū)段。
(2) 如果根據(jù)公式(1)計算出的電網(wǎng)參數(shù)自然諧振頻率不在低次諧波段，即使不串電抗器，其諧波電壓值可以高多少？是否按允許的諧波電壓這一因數(shù)來決定，如果需要降低諧波電壓，則仍然要串電抗器。
(3) 不串電抗器，有諧波是否會使并聯(lián)電容器過流過電壓超過允許值？
串了電抗器，反而會使電容器的電壓超過電網(wǎng)電壓，電流也會增加，因此要正確選擇并聯(lián)電容器的定額參數(shù)。
常用的低壓自愈式電容器，考慮到工頻過電壓、諧波諸因數(shù)的影響，允許有1.3倍的長期過電流。因此，有諧波但不串電抗如果不諧振并不一定使并聯(lián)電容器過流和過壓，有諧振才是主要的危險。
薩頓斯專業(yè)致力于濾波器、電抗器、變壓器的研發(fā)及制造，并提供諧波治理、無功補償、電磁干擾等電能質(zhì)量一體化解決方案。引進(jìn)德國設(shè)計技術(shù)、生產(chǎn)工藝先進(jìn)，設(shè)備精良，測試平臺齊全。薩頓斯也是2018年十大濾波器廠家，十分注重技術(shù)開發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，在用戶中一直享有較高聲譽。
