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              如何在有諧波污染的系統里正確選用電容器及電抗器

              2022-01-13

              使用電力電容器,已經是目前最便宜又穩定的無功補償方法。電力電容器如何達到無功補償功效?無功補償有何好處?多年來已有許多論述,在此就不加贅述。
              故本文直接從諧波議題開始討論。至于何謂諧波?諧波為何會產生?以及諧波會造成什么問題?多年來亦已有許多論述,在此也就不加贅述。
              本文僅探討電力電容器在應用于無功補償時,若電力系統里有諧波的存在,將會造成對電力系統及電容器有何負面影響?
              而為了避免該負面影響,如何正確的選用及匹配電容器以及電抗器?
              電容器與電力系統之并聯共振
              以一個非常典型的電力系統為例。因為電力系統在一般的狀況是電感性加一小部份電阻性。在系統中為了無功補償,而投入電容器的同時,因為電容器是電容性負載,因此投入電容器之后,在某一個頻率時,電容器本身的電容性會與系統的電感性造成電容器本身與電力系統并聯共振的問題。
              如果該系統有諧波污染,而這并聯共振頻率又剛好是諧波頻率,或接近諧波頻率,則此一諧波成份會因該電容器的電容性及系統的電感性并聯共振而放大。
              這個被放大的諧波電流,會造成電力系統更嚴重的諧波污染,而且該放大的諧波電流同時造成電容器及該分路過電流過載。如果這個過載情形太嚴重,超過電容器所能承受,電容器可能會因此而故障。
              電容器串接電抗器解決并聯共振問題
              為了在有諧波負載的系統中,加裝電容器組以達到無功的補償,同時又能避免單純裝電容器時所造成的并聯共振問題,先進電機所提出的解決方法,便是在電容器前再加裝一只抗諧(De-tuned)電抗器。
              那么要串聯多大的電抗器呢?針對各種不同的應用場所,專家們提出了許多建議,譬如:選用該電抗器的阻抗為電容器阻抗絕對值的5.67%,6%,7%,13%,14%等等,
              在英文中,通常把此種電容器加裝De-tuned電抗器之設備稱為De-tunedFilter。
              至于應該選用多少百分比的電抗率,則需要更進一步了解『應用場所有哪些諧波電流?』。
              在此需要特別把電容器及電抗器的阻抗公式列出
              電容器阻抗為Zc=1/(jωC)
              電抗器阻抗為ZL=jωL
              以電容器串接7%電抗器為例。如果以諧波產生源為基準,系統本身的阻抗乃為電感性及小部份的電阻性。而此一電容器+7%電抗器組的串聯共振點在3.78次(頻率為189Hz),其電容電抗器組之阻抗,在3.78次(189Hz)以下為電容性,在3.78次(189Hz)以上為電感性。
              在此一電容器+7%電抗器組投入系統中,仍然會產生一個并聯共振點,但該并聯共振點絕對只會發生在于電容器+7%電抗器組為電容性的情形時,亦即該并聯共振點絕對只會在3.78次(189Hz)以下,因為電容器+7%電抗器組在3.78次(189Hz)以下是為電容性負載。
              通常會產生大量諧波成份的6脈沖整流器負載,所產生的最主要諧波成份為所謂的特性諧波,亦即所謂的N=6n±1次諧波,n=1,2,3….。故在這種諧波成份中,最低頻率者為5次(250Hz)諧波。而在此一例子當中,電容器+7%電抗器組僅會在3.78次(189Hz)以下,才會與系統產生并聯共振??墒且驗樵诖艘幌到y中并無3.78次(189Hz)以下之諧波電流,故不會有諧波共振放大之現象。
              而在3.78次(189Hz)以上,因電容器+7%電抗器組為電感性負載,而系統也是電感性,故在3.78次(189Hz)以上并不會有并聯共振的情形發生,故該特性諧波N=6n±1,n=1,2,3…,就不會有所謂并聯共振而造成諧波共振放大的情形發生。
              而且值得一提的是,此一電容器+7%電抗器組,在第5次(250Hz)時的阻抗為電感性,而系統在第5次(250Hz)的阻抗也是電感性。因此5次諧波將會因歐姆定律,阻抗分流原理,一部份流入電容器+7%電抗器組中。7次以及更高次之諧波亦會依同樣的原理,而會有一小部份會流入電容器+7%電抗器組中。因此,此一電容器+7%電抗器組,其實不僅可以避免特性諧波的共振放大問題之外,并且因為分流原理,可以吸收一小部份5次及5次以上之諧波成份。因此它其實是有部份濾波的功能。
              當系統產生3次諧波時,則建議電容器加裝13%電抗器(串聯共振點2.77次,139Hz)或14%電抗器(串聯共振點2.67次(134Hz))或15%電抗器(串聯共振點2.58次,129Hz)。如此即可避開3次諧波電流的共振放大。但是因為13%,14%或15%之電抗器的成本遠高于6%或7%電抗器,故除非真有相當多的3次諧波成份,否則絕大多數的狀況,還是串接6%或7%之電抗器即可。
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