城市电网电容器组噪声超标原因探析

金家培，潘爱强，周彦，陈甜甜，蔡阳

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.国网上海市电力公司金山供电公司，上海 200540）

城市电网电容器组噪声超标原因探析

金家培1，潘爱强1，周彦2，陈甜甜1，蔡阳2

（1.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437；2.国网上海市电力公司金山供电公司，上海 200540）

文中介绍了并联补偿电容器组与系统背景谐波发生谐振的发生机理，采用计算和实测方法对案例中某变电站的情况，进行了分析。对因谐振而导致电容器组中串联电抗器发生振动和噪声的现象进行了剖析，对消除振和噪声提出了改进建议，并进行了实施。对补偿电容器的投运提出了需要注意的问题。

谐波；振动；噪声；电容器

10 kV电容器组是中压变电站对供电母线进行功率因数补偿的有效手段，作为静态的无功补偿装置，它具有结构简单、造价低廉、易维护等特点，被广泛用于中压变电站的10 kV系统母线上，进行无功补偿，改善功率因数，提高电压水平。一般该类补偿电容器都会串接一个电抗器，组成一个整体的补偿电容器组。电抗器的作用是遏制合闸时涌流冲击，但当电网存在谐波时，补偿电容器组的容抗就有可能在某个频率下与电网等值电抗发生谐振，此时串联电抗值的合理选择，将是避免发生谐振的关键。

1 电网谐波特征

电网谐波的数学意义是如何周期波形都可以被展开为傅里叶级数，即

式中：f（t）为频率为f0的周期函数，角频率ω0=2f0；A0为直流分量；C1sin（ω0t+φ1）为基波分量；Cnsin（ω0t+ φn）为第n次谐波，幅值为Cn，相位为φn。

通过傅里叶分解可以把畸变波形分解为基波和频率为基波整数倍的各次谐波叠加。这样在电力系统网络中对不同谐波影响是相互独立的，利用这个性质可以对各次谐波进行分别处理，建立各次谐波的等效电路求解电压、电流。总的响应可以通过在时域中将所有谐波分量相加得到。

鉴于电力系统的元件产生的电压和电流具有半波对称性[1]，因此傅里叶分解后得出没有A0，且各次偶次谐波被相互抵消，在n次谐波下，感抗、容抗、电阻值分别为

式中：XL、XC、R分别为基频下的感抗、容抗和电阻。

2 并联电容器组谐振机理

一般并联补偿电容器组与电网连接如图1所示[2]，图2是等值电路图[3]。

图1 并联补偿电容器组一次简图Fig.1 Schematic of the primary system of the shunt compensation capacitor bank

图2 并联补偿电容器组等值电路Fig.2 Equivalent circuit of the shunt compensation capacitor bank

In是谐波电流源电流；ISn是流入系统的谐波电流；ICn是流入并联电容器组的谐波电流；Un是谐波电压。系统等值电阻、电容器组的等值电阻都非常小，图2中未画出。

当电网中存在有谐波时，会使得电网的等值电抗nXS与并联电容器组的容抗XC/n-nXL在某一频率下发生谐振，当等值电抗与电容器容组抗相等，即

式中：XS=ωLS，XC=1/ωC，XL=ωLL，代入后可以得到：

则发生谐振的频率：

图2电路的端电压：

流向系统和电容器之路的电流分别为

当系统出现谐振频率f0时，各式的分母变小，理想状态时趋向于零，此时端电压Un，系统电流ISn，电容器组电流ICn均升高，电路呈阻性特征，Un、ISn、ICn物理量因谐振的发生而被放大。放大倍数取决于谐波次数n与谐振频率f0的接近程度[4]。

3 案例

上海电网某个35 kV变电站，改造后在调试测试中发现10 kV补偿电容器组1、2号的最大振动分别为1.11 m/s2、1.17 m/s2，最大噪声分别为80.9 dB、79.4 dB，显然1和2号补偿电容器组投入时振动和噪声都超过了制造和订货的相关标准[5-6]。进一步测试查明振动和噪声主要发生在电抗器上，是何原因引起补偿电容器组中的串联电抗器振动和噪声超标？下面分别用计算和实测方法来寻找原因。

3.1 谐振频率计算

该变电站一次接线图如图3所示。

图3 变电站一次接线图Fig.3 Wiring diagram of the primary system of the substation

图3变电站一次接线图1号补偿电容器组的振动和噪声比2号补偿电容器组要大，因此计算工作以1号主变供电回路进行。已知1号主变的10 kV母线处，最小运行方式时的短路容量为Sd=72 MV·A，1号电容器组容量为QC=3 000 MV·A，电抗率K=1%，每相C=89 μF。则：

系统等值电抗XS3=U2/Sd=1.73×（10）2/72=2.4（Ω）；

每相系统等值电抗XS1=7.2 Ω；

每相电容器容抗：

XC=1/（2×3.14×50×0.000 089）=35.7（Ω）；

谐振时条件：nXS=XC/n-nXL；

式中用XL=KXC代入，则nXS+n KXC=XC/n；

n2=XC/（XS+KXC）；

分别代入XS、XC、K，得到n=4.7。谐振频率f0=n× 50=235 Hz，因此补偿电容器投入后将有可能在5次谐波附近发生谐振。

3.2 谐振容量计算

依据文献[7]要求的补偿电容器谐振容量计算公式QCx=Sd（1/n2-K），取n=3时QCx=7.28 MV·A；取n= 5时QCx=2.16 MV·A，显然n=5时得出的谐振容量比较接近补偿容量QC。系统背景如果存在5次谐波电压，存在发生5次谐波谐振的可能性[8]。

3.3 现场测试

按照图3中红圈表示实测时的信号抽取点。主要测试了1、2号主变的10 kV侧电流和电压，1、2号补偿电容器组的电流。表1数据列出了1号主变和补偿电容器组的测试数据。

表1数据反映，该变电站10 kV电压背景谐波中5次最大，在形成的电压总畸变率（THD）中占主导，当补偿电容器组投入后，5次电压谐波值由3%上升至5.67%，THD值同样由3.1%上升至5.7%，均超过了10 kV电压的畸变限值。文献[9]给出了谐振时的电压放大计算式，，取n=5，K=1%，QC=3 MV·A，Sd=75 MVA，代入后可计算出F=2.5。实际5次谐波电压放大约为1.9。

表1 1号主变10 kV侧电压谐波Tab.1 Voltage harmonic at the 10 kV side of No.1 main transformer

表2数据反映，1号主变的5次谐波电流在电容器组投入后，由4.52 A上升至53.93 A，放大了11.9倍，导致电压发生畸变，THD和U5谐波超标。电容器组中5次谐波电流高达64.37 A，占基波电流的38%。

表2 1号主变10 kV侧电流谐波Tab.2 Current harmonic at the 10 kV side of No.1 main transformer

3.4 分析

案例中当补偿电容器组投入运行后，使得10 kV母线电压THD上升至5.7%，5次谐波电压含有率上升至5.67%，都超过了文献[10]规定的10 kV等级电压谐波限值。图4反映了5次谐波电压的突变（A相），显然突变是由1号主变5次谐波电流增大所引起的。

图4 1号主变10 kV侧5次谐波电压与电流变化Fig.4 The 5th harmonic voltage and current changes at the 10 kV side of No.1 main transformer

图5是电容器组投入后的10 kV电压波形，可以观察到波形因5次谐波污染发生畸变。电容器组的电流基波值I1=167 A，已经是额定电流值，电容器电流有效值应该是各次谐波电流值的方均根值，计算，那么电流有效值达到约180 A，约是基波电流的1.1倍。图6记录了电容器组投入后的电流波形，明显的5次谐波电流叠加。

图5 1号主变10 kV电压波形Fig.5 10 kV voltage waveform of No.1 main transformer

上述实测数据可以初步判定，引起补偿电容器组中电抗器振动和噪声超标的原因如下：

1）当电容器组未投入时，该变电站的背景电压5次谐波水平虽然没有超过10 kV电压等级限值，但是已经接近限值，属偏高状态；

2）电容器组的补偿容量比较接近谐振容量，1%的串抗率，仅对合闸涌流有遏制作用，并无对5次谐波有滤波的效果；

图6 1号电容器组电流波形Fig.6 Current waveform of No.1 capacitor

3）电容器组投入后，电容器容抗与系统等值电抗产生谐振，导致补偿电容器组内5次谐波电流放大，使得电流有效值超过额定电流。主变回路5次谐波电流急剧增大，5次谐波电压含有率上升，致使电压总畸变率上升；

4）电抗器是铁芯结构，本身磁通密度选的偏高，因此当电流有效值超标1.1倍后，存在进入磁饱和状态的情况，使得铁芯的硅钢片发生磁致伸缩[11]。磁致伸缩引起铁芯振动而产生噪声。

3.5 改进串抗率

依据分析结论，提出把串抗率由1%增大到5%，破坏5次谐波谐振条件，改善电容器组本身对5次谐波电压的滤波性能。整改后测试结果如表3、表4所示。

表3 1号主变10 kV侧电压谐波Tab.3 The voltage harmonics at the 10kV side of No.1 main transformer

表4 1号主变10 kV侧电流谐波Tab.4 The current harmonics at the 10kV side of No.1 main transformer

数据说明串抗率提升到5%，5次谐波谐振条件破坏，滤波效果明显，电压总谐波（THD）由2.71%下降到0.99%；5次谐波含有率由2.66%下降到0.9%。1号主变10 kV侧和电容器组中的5次谐波电流也明显减小，比整改前约减小2.8倍。

电容器组的电流有效值为164 A，约是基波电流的1.01倍，已经在额定工作电流范围之内，可是经测试发现，噪声虽有所降低，但还是达到70 dB一个比较高的值。按照电抗器制造标准《JB_T 5346-1998串联电抗器》的规定，不同容量电抗器的噪声要求如表5所示。

表5 不同容量电抗器在额定电流下的允许噪声Tab.5 Allowable noise at rated current for different capacity reactors

显然案例中电抗器本身噪声是超过标准的。

4 电抗器噪声检测条件讨论

电抗器相关标准中涉及噪声规定和检测要求内容值得商榷。在电抗器制造相关标准中规定了并联电容器组中的串联电抗器应该能够在以下二个过负荷条件下连续运行：一是在工频电流为1.35倍额定电流下连续运行；二是在3次和5次谐波电流含量均不大于35%，总电流方均根值不大于1.2倍额定电流的情况下连续运行。这里规定了电抗器应该连续运行的最大工作电流范围，但是并未规定在这些工作电流运行时的噪声要求，原因在于噪声测试的条件仅规定了在额定电流条件下，因此如果电抗器在1.35倍或者1.2倍额定电流下运行，噪声其实是没有标准限定的[7]。

在电抗器噪声的检测时因受条件限制，一般只在工频额定电流下检测，并没有考虑谐波因素。标准《GB/T1094.6-2011电力变压器第6部分：电抗器》[12]中已经规定在噪声测试时施加的电流需考虑谐波条件，但设定的电流仍然是在额定的条件下。

电抗器特别是铁芯电抗器，设计时磁感应强度取值一般在近饱和点，因此如果工作电流超过额定电流，尤其是含有谐波时，很容易进入饱和区域，此时会因磁致伸缩引起振动和噪声急剧升高。

在城市电网中如果并联电容器组中串联电抗器产生的噪声接近或者超过主变的噪声那是不可想象的，这既不符合环境的噪声标准，也难以承受噪声的干扰，严重的可能会导致附近居民的投诉。在相关标准未修订之前，应该考虑在招标技术规范书中明确噪声指标的条件，与电抗器制造商协商确定噪声限值和检测条件，并在技术规范书中予以约定，加强对设备到货后的验收检测。

建议对现有标准进行修订，在电抗器噪声测试时，应该考虑允许最大连续工作电流条件，同时还应结合电网实际状况，对电抗器施加以工频和谐波复合频率条件的噪声检测。或者可以规定在1.35倍工频和1.2倍工频与谐波复合条件下工作电流时的噪声限值。

5 结论

本文对因谐振而导致电容器组中串联电抗器发生振动和噪声的现象进行了研究，主要结论如下：

1）串联电抗器的选择将是避免发生谐振的关键因素。

2）对新增或改造的补偿电容器组需注意：设计时应按照《GB 50227-2008并联电容器装置设计规范》中要求，对补偿容量进行谐振验算后再确定串抗率大小，防止与电网谐波发生谐振。

3）投入时应关注补偿电容器组的额定电流是否超标，同时对补偿母线电压和电容器组电流在正常负荷条件下进行谐波测试，确定没有谐波放大。

4）加强对串联电抗器的噪声检测，防止因谐振或电抗器本身噪声偏大影响安全运行，对环境造成影响。

5）在以3、5次谐波为背景的电网应该避免选择仅考虑遏制合闸涌流作用的串抗率，需选择能够发挥滤波作用的合适串抗率。

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[12]GB/T 1094.6-2011，电力变压器[S].

（编辑 张晓娟）

Cause Analysis for Over-Standard Noise of Urban Grid Capacitor Banks

JIN Jiapei1，PAN Aiqiang1，ZHOU Yan2，CHEN Tiantian1，CAI Yang2
（1.State Grid Shanghai Electric Power Research Institute，Shanghai 200437，China；2.Jinshan Power Supply Company，SMEPC，Shanghai 200540，China）

This paper introduces the mechanism of the resonance occurrences between the harmonics of parallel compensation capacitor banks and the background harmonics of the system.Case study is made on a certain substation through calculation and measurement，and the vibration and noise of series reactors in the capacitor banks caused by the resonance are analyzed；and suggestions for eliminating the vibration and noise are proposed and then implemented.The paper also highlights some issues to which attention should be paid during commissioning of the compensation capacitors.

harmonic；vibration；noise；capacitor

国家电网综合计划项目（52090016000F）；电能质量大数据分析关键技术研究及应用。

Project Supported by the Comprehensive Program of the SGCC（52090016000F）；Research and Application of Key Techniques for Large Data Analysis of Power Quality.

1674-3814（2016）10-0068-05

TM713

A

2014-08-13。

金家培（1957—），男，专科，高工，专业方向为电能质量检测与治理；

潘爱强（1984—），男，硕士，高工，研究方向为电能质量检测与治理；

陈甜甜（1988—），女，硕士研究生，工程师，研究研究方向为电能质量评估和检测工作；

周 彦（1980—），男，本科，研究方向为电力系统、电网检修工作；

蔡 阳（1986—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统、继电保护及电能质量工作。