用于交直流传动轧机SVC中常用滤波器分析

王见乐

【摘要】 本文主要介绍用于交直流传动轧机SVC中常用的几种无源滤波器，分析他们的性能、参数确定及其检验情况。

【关键字】 无源滤波 特性 检验

随着非线性负荷的大量使用，无功补偿装置SVC成为维持电压稳定的重要设备。为滤除负荷引入的谐波，SVC中设置滤波环节是必须的。常用固定电容器组组成无源滤波器，这种方式既起到容性无功补偿的作用，又起到滤波的作用。

1.无源滤波器的分类及特点

无源滤波器是由滤波电容器，电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波器分两种类型：调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器又分单调谐滤波器和双调谐滤波器，高通滤波器分一阶高通滤波器，二阶高通滤波器，三阶高通滤波器和C型高通滤波器。

单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，易调谐，是使用最多的一种类型。双调谐滤波器可代替两个单调谐滤波器，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统使用。一阶高通滤波器因基波损耗大，一般不采用。二阶高通滤波器通频带宽，滤波效果好，但损耗比单调谐滤波器大，通常用于较高次谐波。C型高通滤波器的滤波效果比二阶高通滤波器稍差一些，但基波损耗小，仅限于2、3次滤波，效果很好。因此，本文主要介绍单调谐滤波器、二阶高通滤波器和C型滤波器。

2.无源滤波器特性分析

（1）单调谐滤波器

对单次谐波的滤除来说，单调谐滤波器的滤波效果最好，且损耗小。但单调谐滤波器有可能因电力系统频率变化，环境温度变化和调谐偏差而在失谐状态下运行，使滤波效果下降。

设计H次单调谐滤波器需要考虑几方面的因素：电网的频率偏差；环境温度变化引起的电容器电容变化；电容器使用时间较长时，其介质材料老化，导致电容值下降；滤波器在电网工频的偏差范围内H次谐波下呈感性。

滤波电容器的基波容抗为：XC = ? （Ue 为电网额定电压kV；Qj 为该单调谐滤波器的基波容量kVA）；滤波电抗器的基波感抗为： XL =? = 令滤波电抗器的品质因数为q，则滤波电抗器的电阻分量：RL =HF ·XL/q ，滤波器在任一谐波次数h下的阻抗ZF（h） =XC [ +j·（ ）] 。

（2）二阶高通滤波器

二阶高通滤波器是带阻尼的宽频带滤波器，常用于调谐次数不低于5的高通滤波，其基波损耗较大。

如预选定一H（H≥5）次二阶高通滤波电容器的基波容抗XC，滤波电抗器的基波电抗为：XL =XC/HF 2（HF为滤波器的实际调谐次数）。二阶高通滤波器的品质因数q一般取1～5。且q越小，滤波器的基频损耗越大，其特性曲线越平坦，也就是说，滤波器阻抗受频率变化的影响就越小。

滤波器在任何谐波次数h下的阻抗为：

ZF（h） =XC?

滤波器的基波无功容量为：Qj =

设通过滤波器的h次电流为IFh，波电阻的功率损耗为：PR= 。

（3）C型高通滤波器

当调谐次数小于5时，二阶高通滤波器的基波损耗相当大。与其相比，C型高通滤波器的优点就在于在调谐次数小的范围内基波损耗小。

为了保证基波损耗尽可能小，希望基波电流尽量不从R并联支路上流过，那么滤波器参数需满足XL = XC2 ，同时，滤波器在HF （HF =2或3） 次谐波下处于调谐状态，因此滤波器参数还应满足 =HFXL ， 因此有：

XC1 =（HF 2 -1）XC2 或 C2=（HF 2 -1）C1，滤波器的基波无功容量：Qj = = 。与二阶高通滤波器一样，C型高通滤波器的幅频和相频响应特性受品质因数q影响较大。据实践总结，C型高通滤波器的q一般取3～15。且q越小，其特性曲线就越平坦，即滤波器阻抗受频率变化的影响就越小。滤波器最小谐波阻抗基本在2次谐波点处，但实际谐振点随q值的减小往后偏移。

滤波器在任何谐波次数h下的阻抗

ZF（h） = =

为保证滤波器在理论调谐次数H次谐波下不呈容性，要求

H=2时 HF ≤

H=3时 HF ≤

设通过滤波器的h次电流为IFh，滤波电阻的功率损耗为：

PR=

3. 滤波电容器的安全性能校验

当电容器承受的电气条件超出其耐受能力，电容器可能会出现击穿、膨胀甚至爆炸事件，所以电容器的安全运行是非常令人瞩目的。滤波电容器的基本电气参数有二：额定电容Ce和额定电压Ue。根据这两个参数，可计算其它电气参数：

额定电流：Ie =UeωCe 额定容量：Qe= Ue2ωCe

为了保证滤波电容器所承受的电气条件在其耐受能力范围内，其电气参数Qe、Ue和Ie必需通过以下校验。

（1）等值发热校验

等值发热主要由电容器介质中基波和谐波有功损耗引起的，分别用下式计算

PC1 =IC12RC1 =QC1tgθ

PCh =ICh2RCh =QChtgθ

（QC1 电容器基波容量，kvar；QCh电容器谐波容量，kvar；tgθ电容器介损角正切值）。

总损耗为 PC =PC1+ΣPCh=（QC1+ΣQCh）tgθ

电容器的最大允许损耗为 PCy =Qe tgθ

电容器应当满足PC≤PCN这一条件，因此有QC1+ΣQCn≤Qe

（2）过电压校验

滤波电容器同时承受基波电压UC1和各次谐波电压UCh。为保证电容器的安全运行，电容器额定电压应满足UC1+Σ（λ?UCh）≤1.1Ue

式中，λ为峰值谐波过电压系数，仅适用于交直流传动轧机的滤波器设计，1.1

倍为按国标规定的电容器允许长期过电压系数。

【结论】 本文通过对无源滤波器的分析，计算其參数，得出适用于交直流传动轧机SVC中的三种滤波器（二阶高通滤波器、C型滤波器、单调谐滤波器），分别用于滤除高次谐波、低阶2、3次谐波和其他单次谐波。

【参考文献】

吕润馀，电力系统高次谐波[M]，北京：中国电力出版社，1998.5