我来教你选择串联电抗器（上）

    本文结合电容器装置工程实例阐述在并联电容器装置用串联电抗器的电抗率选择问题上的经验与教训

，提出区域电网中电容器电抗器组群体参数优选的目标函数和约束条件，例举两种不同参数配置方案的技术

经济比较等，以供工程设计借鉴。

1　串抗选用的“误区”

　　 20世纪80年代初，为了促进提高国产电容器产品的质量和生产技术的发展与进步，国家采用了重大举

措，其中包括由原水利电力部统一从西欧、日本进口一批电容器，分配给东北、华北和华东电网集中装设在

110kV及以上变电所，并效法日本的做法规定要求一律用6％串抗，一时全国各地（除浙江省等个别省区外）

形成几乎以此为“主导”的设计模式。
　　 随着各地大容量电容装置的相继投运，通过现场谐波实测，人们逐步发现和认识到事实不象教科书所

说的那样，3次谐波只有零序分量可被变压器Δ接法的线圈所环路，而是到处流通。除了电气化铁道，电弧

炉负荷是3次谐波源以外，根据大量测试分析结果证明，变压器也是电力谐波的一个重要发生源，其主要成

分是3次谐波。由于变压器的激磁电流加上铁芯的磁饱和，以及电力系统中普遍存在的3相电路与磁路的不对

称，三相电源电压不仅在幅值上有差别，而且在相位上不是各差120°，故即使在变压器三角绕组侧的线电

压，线电流中也仍然存在3次谐波分量，它们是正序和负序分量。因此，3次谐波遍及电网，尤其是在负荷低

谷时，随着电网运行电压的升高，变压器铁芯饱和程度的加深，其产生的3次谐波含量也随之增大。根据浙

江电网近年来对10～500kV各级网络165个测点的谐波普测结果，以3次为主导谐波和3、5次谐波为主导谐波

合计占总测点数的92％；据绍兴地区电网监测结果以3次谐波为主占总测点数的79％，以3次和3、5次为主合

计占94％，这样的背景谐波情况在全国电网是具有普遍性的，事实证明，我国国情与日本国不同，后者电网

不存在3次谐波，电容器组串接5％～6％串抗以抑制电网5次及以上谐波是正确的，而我们效法后者，就把串

抗选用引入“误区”。电网普遍存在3次谐波的状况，以及曾有过的“误导”，给电容器装置及其相连电网

的运行所带来的影响是不容低估的。
　　 电容器装置盲目采用串接5％～6％的串抗投入电网后，引起3次谐波的放大甚至发生谐振已成为不争的

事实。众多的文献陈述了220kV及以上枢纽变电所中的河南汤阴变、湖南曲河变、湖南宝庆变、广西玉林变

、张家口宣化变的电容装置投运后，曾先后发生由于3次谐波谐振引发的部分电容器和配套器件损毁，甚至

全部电容器烧毁的事故；北京地区聂各庄变、吕村变、南苑变、王四营变、浙江绍兴的渡东变等等，均发生

3次谐波谐振而被迫停运采取改造措施。至于110kV及以下变电所电容器装置投运后，通常发生电网谐波放大

超标，引起电容器，电抗器振动、发热、保护误动，甚至设备损坏。
　　 根据大量电容器装置工程实例的计算分析与现场测试验证，结果证明可以采用简化的电路模型（如图1

，2所示），来分析估算电容器装置的接入对电网3次谐波的影响，以及谐振容量的估算。按电容器装置投入

点的情况不同分为两种类型：
　　 1）当电容装置侧有谐波源时，其分析电路模型如图1所示。图中，In为谐波源的第n次谐波电流；XS为

系统等值工频短路电抗；XC为电容器组工频容抗；XL为串抗工频电抗（XL＝AXC，A为电抗率）；n为谐波次

数，为了分析电容装置接入电网后以对某次谐波变化的影响，特定义电容器组投入后与投入　　前系统谐波

电压之比为某次谐波电压放大率（FVn），经推导可得：

式中，S＝XS／XC＝QCN／SD其中，SD为电容装置接入处母线短路容量，QCN为电容装置容量。当（1）式分母

的数值等于零时，表示电容装置与电网在第n次谐波发生并联谐振，并据此推导出估算电容装置谐振容量

（QCX）的算式：

　　从物理意义上解释：当电容装置侧存在3次谐波电流源时，串接6％及以下串抗的电容器组在3次谐波下

的阻抗呈容性，而系统阻抗为感性，两者并联阻抗增大（比起电容装置接入前单一的系统阻抗3XS而言），

故电容装置接入后比接入前，其装置侧网络3次谐波电压增大（即3次谐波电压放大），一旦电容器支路与系

统等值回路的3次谐波阻抗值相等或接近相等（符号相反），两者并联阻抗为无穷大即进入并联谐振，引起

电容装置严重过电压过电流而损毁，同时危及系统安全。
　　 从（2）式可得，当电容装置选用5％串抗且容量达到或接近系统短路容量的6％时，或者选用6％串抗

且其容量达到或接近系统短路容量5％时，就会发生3次谐波并联谐振或接近于谐振。上述220kV及以上变电

所的电容装置工程实例证实了从（2）式得出的结果。110kV及以下变电所的电容装置容量相对较小，（通常

S＞5％），但会引起3次谐波放大，甚至严重放大。从（1）式可以揭示，在同一装置场所，在选用串抗的电

抗率（A）为0．1％～6％范围内，随着A的增大，或者随着S的增大（即电容装置投入容量的增大），3次谐

波电压放大程度（FV3）也随着增大。

　　2）当电容装置本侧无谐波源时，其分析电路模型如图2所示。在220kV及以上枢纽变电站，为了调相调

压的需要，在主变的低压侧装设了大容量的分组投切电容器组，装置侧无负荷，谐波来自主变高压侧。按图

示定义装置侧母线谐波电压UBn与高压侧母线谐波电压UAn之比为谐波电压渗透率SVn，如忽略变压器第n次谐

波电阻，SVn可由（3）式估算：

式中，ST＝XT／XC；XT为变压器工频短路电抗。当（3）式分母的数值等于零时，表示电容装置在第n次谐波

处发生串联谐振，并据此推导出估算串联谐振容量QCX的算式：

式中Se为变压器额定容量；UK％为变压器短路电压百分值，其他符号意义同上文。当Se和UK％参数已知时，

用（4）式估算不同的电抗率A所对应的电容装置发生3次谐波串联谐振容量。从理论计算与实际工程验证，

一旦电容装置容量达到变压器容量的15％及以上，如选用5％～6％串抗就会发生3次谐波严重放大，甚至出

现串联谐振。
　　 综上所述，对于枢纽变电所装设的大容量电容装置要避免进入串抗选用的“误区”，慎防对电网3次谐

波的严重放大或谐振；对于110kV及以下变电所，如电容装置处背景谐波中有较大3次3　串抗优选的目标函

数和约束条件

　　 谐波治理是个系统工程，应从全局观点出发，进行综合治理。首先，应该加强对谐波源用户的监测管

理，其产生的谐波电流超过标准规定者，必须采取措施就地消除，这是治本之举。其次，应该把抑制电容装

置对系统谐波的放大，视作谐波治理的组成部分，在研究对电容装置处谐波采取阻塞和疏导措施时，既要保

证电网电压波形畸变符合规定要求，以及确保电容装置与相连电网的安全运行，又要做到经济合理，讲究实

效。

2     说明

　　串联电抗器（下称串抗）是并联电容器装置（下称电容装置或电容器组）的主要组成部分之一，它起着

限制电容器组（背靠背）合闸涌流，抑制电力谐波，防止电容器遭受损害，以及避免电容装置的接入对电网

谐波的过度放大和发生谐振等等重要作用。
　　 然而，串抗与电容器不能随意组合，若不考虑电容装置接入处电网的实际情况，采用“一刀切”的配

置方式（如电容器一律配用电抗率为5％～6％的串抗），往往适得其反，招致某次谐波的严重放大甚至发生

谐振，危及装置与系统的安全。由于电力谐波存在的普遍性，复杂性和随机性，以及电容装置所在电网结构

与特性的差异，使得电容装置的谐波响应及其串抗电抗率的选择成为疑难的问题，也是人们着力研究的课题

。虽然现有的成果尚不足为电容装置工程设计中串抗的选用作出量化的规定，但是随着研究工作的深入，实

际运行经验的积累，业已提出许多为人共识的见解，或行之有效的措施，或可供借鉴的教训。
　　 电容器组投入串抗后改变了电路的特性，串抗既有其抑制涌流和谐波的优点，又有其额外增加的电能

损耗和建设投资与运行费用的缺点。所以对于新扩建的电容装置，或者已经投运的电容装置中的串抗选用方

案，进行技术经济比较是很有必要的。本文着重对部分电容装置工程设计中沿袭选用6％串抗的问题进行剖

析，以期对装置的建设和运行有所裨益。