低壓無功功率補(bǔ)償控制及元件的發(fā)展

賀元珍

（湖南開關(guān)廠長沙市410009）

從電力網(wǎng)無功功率消耗的基本狀況可知，各級(jí)網(wǎng)絡(luò)和輸配電設(shè)備都要消耗一定數(shù)量的無功功率，低壓配電網(wǎng)所占比重最大。低壓配電網(wǎng)運(yùn)行著大量的感性無功負(fù)荷需要進(jìn)行補(bǔ)償，為了提高供用電質(zhì)量，降低線損與節(jié)能，以及充分利用設(shè)備的容量,在配電系統(tǒng)中安裝無功補(bǔ)償裝置提供必要的無功功率，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低能耗，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量實(shí)現(xiàn)無功優(yōu)化補(bǔ)償。

1 低壓無功補(bǔ)償?shù)膸追N方法

1.1 低壓無功補(bǔ)償設(shè)備的配置方法

（1）隨機(jī)補(bǔ)償。就是將低壓電容器組與電動(dòng)機(jī)并接，通過控制、保護(hù)裝置與電機(jī)，同時(shí)投切。隨機(jī)補(bǔ)償適用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的無功消耗，以補(bǔ)勵(lì)磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負(fù)荷。

（2）隨器補(bǔ)償。是指將低壓電容器通過低壓保險(xiǎn)接在配電變壓器二次側(cè)，以補(bǔ)償配電變壓器空載無功的補(bǔ)償方式。配電變壓器一般實(shí)行隨器補(bǔ)償，是將低壓補(bǔ)償電容器直接安裝在配電變壓器低壓側(cè)，與配電變壓器同投同切，用以補(bǔ)償配電變壓器自身勵(lì)磁無功功率損耗和感性用電設(shè)備的無功功率損耗。

（3）跟蹤補(bǔ)償。是指以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，將低壓電容器組補(bǔ)償在大用戶0.4 kV母線上的補(bǔ)償方式。適用于100 kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機(jī)、隨器兩種補(bǔ)償方式，補(bǔ)償效果好。

1.2 無功補(bǔ)償?shù)男Ч?/h3>

（1）提高功率因數(shù)和設(shè)備的利用率。

在電網(wǎng)運(yùn)行中，大量非線性負(fù)載的運(yùn)行，除要消耗有功功率外，還要消耗一定的無功功率。負(fù)荷電流在通過線路、變壓器時(shí)將會(huì)產(chǎn)生電能損耗。在受電端安裝無功補(bǔ)償裝置，可減少負(fù)荷的無功功率損耗，提高功率因數(shù)，提高電氣設(shè)備的有功出力。對于原有供電設(shè)備來講，在同樣有功功率下，因功率因數(shù)的提高，負(fù)荷電流減少，因此向負(fù)荷傳送功率所經(jīng)過的變壓器、開關(guān)和導(dǎo)線等供配電設(shè)備都增加了功率儲(chǔ)備，從而滿足負(fù)荷增長的需要，減少經(jīng)濟(jì)投資。

（2）降低電網(wǎng)中的功率損耗和電能損失。

（3）改善電壓質(zhì)量，可以充分利用電力系統(tǒng)中發(fā)、變電設(shè)備的容量。

在線路中電壓損失△U的計(jì)算公式：

由式（1）可見，當(dāng)線路中的無功功率Q減少以后，電壓損失△U也就減少了。補(bǔ)償前后線路傳送的有功功率不變，P=IUcosφ，由于cosφ提高，補(bǔ)償后的電壓U2稍大于補(bǔ)償前電壓U1，為分析問題方便，可認(rèn)為U2≈U1從而導(dǎo)出I1cosφ1=I2cosφ2。即I1/I2=cosφ2/cosφ1，這樣線損P減少的百分?jǐn)?shù)為：

當(dāng)功率因數(shù)從0.70～0.85提高到0.95時(shí)，由式（2）可求得有功損耗將降低20%～45%。三相異步電動(dòng)機(jī)通過就地補(bǔ)償后，由于電流的下降，功率因數(shù)的提高，從而增加了變壓器的容量，計(jì)算公式：△S=P/cosφ1×[（cosφ2/cosφ1）-1]

2 傳統(tǒng)低壓無功補(bǔ)償設(shè)備的控制原理及故障原因分析

（1）無功控制通過控制器統(tǒng)一取樣，采集單一信號(hào)功率因數(shù)，采用三相電容器，三相共補(bǔ)，投切方式為循環(huán)投切。

傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償都是采用接線如圖1所示的三相共補(bǔ)方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一取樣，各相投入相同的補(bǔ)償容量。這適用于三相負(fù)載基本平衡、各相負(fù)載的cosφ相近的網(wǎng)絡(luò)。這些裝置一般是將電容器分為若干組。根據(jù)控制物理量的變化，進(jìn)行電容器的投切。但是，若無功負(fù)荷經(jīng)常波動(dòng)變化，而裝置又需要將cosφ控制在較高水平時(shí)，電容器的投切，往往就比較頻繁，從而可能給電容器造成危害，使其早期損壞。這種補(bǔ)償方式適用于負(fù)荷主要是三相負(fù)載（電動(dòng)機(jī)）的場合，但如果當(dāng)前的負(fù)載主要為居民用戶，大量的家用電器的使用，特別家用空調(diào)機(jī)、節(jié)能的日光燈等低功率因數(shù)的單相電器的使用，使三相耗電不平衡，造成三相所需的無功補(bǔ)償也不相同，采用這種補(bǔ)償方式會(huì)在不同程度上出現(xiàn)過補(bǔ)或欠補(bǔ)。

圖1 并聯(lián)電容器△接三相共補(bǔ)的接線

（2）電容器三相短路保護(hù)熔斷器應(yīng)采用符合電容器保護(hù)特性的產(chǎn)品，并按規(guī)定電流比選擇。

電容器允許在1.3 In下長期工作，并允許電容值的容差為-5%～+10%。因此在運(yùn)行中，有的電容器工作電流可達(dá)1.1×1.3=1.43額定電流。因而IEC549規(guī)定：斷路器額定電流和電容器額定電流之比值要大于1.43倍。GB/12747-1991《并聯(lián)電容器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1.5～1.6倍，原水利電力部SDJ 25-85規(guī)定為1.5～2.0倍。而實(shí)際運(yùn)行中選用的型號(hào)有些不符合特性要求，同時(shí)國產(chǎn)熔斷器開斷性能較差。我們發(fā)現(xiàn)在發(fā)生的熔斷器熔斷的事件中，該比值有的只有1.35～1.37，有些甚至更小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，國產(chǎn)熔斷器額定電流的偏差多數(shù)超過20%，考慮該因素，推薦電流比以1.7～1.8為宜。

（3）并聯(lián)電容器的投切開關(guān)采用交流接觸器其響應(yīng)速度較慢，電容器投入時(shí)產(chǎn)生過電壓與過電流，頻繁投切，對電容器造成危害，縮短使用壽命，投入電容時(shí)產(chǎn)生倍數(shù)較高的涌流，容易在接觸器的觸點(diǎn)處產(chǎn)生火花，燒損觸頭。

20世紀(jì)70年代至今廣泛應(yīng)用的PGJ、GCJ電容補(bǔ)償柜，都是采用交流接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開關(guān)。電容器在正弦電壓下的投入會(huì)產(chǎn)生過電壓與過電流。為了控制電容器投入時(shí)不致產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓，一般要求電容器不能在已有充電電壓的情況下投入電網(wǎng)，根據(jù)低壓無功補(bǔ)償柜的接線設(shè)計(jì)，電容器兩端均并接了放電電阻或放電燈，用于電容器放電，以免危及電容器與其他電氣設(shè)備的安全。所以電容器投入時(shí)的初始條件Uc=0。通過對電路的微分分析：當(dāng)電容器剛投入U(xiǎn)cmax可接近穩(wěn)態(tài)時(shí)電壓Uc幅值的兩倍，電流i是在穩(wěn)態(tài)分量上迭加一個(gè)甚大的暫態(tài)分量i″（0)，將使投入時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過穩(wěn)態(tài)時(shí)的數(shù)值，而引起電流沖擊。過電壓和沖擊電流將使電容器局部放電加劇致使容量下降，介質(zhì)損耗tgδ增大及絕緣老化加速。電容器頻繁投切，損壞累積，最終使電容器早期損壞，縮短使用壽命。在國標(biāo)GB/T1 2747-1991中要求：每年的操作不超過5 000次，而實(shí)際運(yùn)行中頻繁投切，遠(yuǎn)不止此數(shù)。同時(shí)投入電容時(shí)產(chǎn)生倍數(shù)較高的涌流，容易在接觸器的觸點(diǎn)處產(chǎn)生火花，燒損觸頭；切斷電容時(shí)，容易粘住觸頭，造成拉不開，燒損觸頭。必須通過采用適當(dāng)?shù)拇胧┘右愿纳疲孩龠m當(dāng)選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40 A的接觸器投切15 kvar的三相電容器（IC＝21.7 A）；②串入小電感及采用專用接觸器等，建議將沖擊電流的峰值限制在20 In以內(nèi)，專用的接觸器型號(hào)有CJ20C、B25C～B75C、ABB的UA等系列。

（4）配電系統(tǒng)中的設(shè)備產(chǎn)生的諧波易致電容器爆炸。

由于變電所帶有整流設(shè)備以及可控硅、用電設(shè)備中的電弧爐，大型鋼鐵冶金企業(yè)的設(shè)備、居民用戶中的新型日光燈及照明設(shè)備等非線性用電設(shè)備，諧波電流大。當(dāng)諧波電流進(jìn)入電容器后，回路中電流急增，從而造成電容器過負(fù)荷，當(dāng)其時(shí)間超過延遲時(shí)間，便會(huì)大量熔斷熔斷器，形成電容器連環(huán)性爆炸現(xiàn)象。某高校配電間使用的電容柜電容器連環(huán)性爆炸事例就是因?yàn)閷W(xué)校用電設(shè)備為大量功率因數(shù)低、產(chǎn)生大量諧波的日光燈累積所致。通過更換原柜內(nèi)的熔斷器，正確選擇熔斷器與電容器額定電流比，更換性能好的串聯(lián)電抗器，取得較好的運(yùn)行效果。

3 低壓無功補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)及智能無功補(bǔ)償控制元件的發(fā)展

3.1 低壓無功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)改進(jìn)和新技術(shù)發(fā)展

綜合傳統(tǒng)無功補(bǔ)償及控制裝置的缺點(diǎn)，低壓補(bǔ)償箱和補(bǔ)償柜的技術(shù)改進(jìn)和新技術(shù)發(fā)展歸納起來主要有以下幾方面：

（1）由三相共補(bǔ)到分相補(bǔ)償、共補(bǔ)與分補(bǔ)相結(jié)合的方式，以求達(dá)到更理想的補(bǔ)償效果。

（2）由單一的無功補(bǔ)償?shù)酵瑫r(shí)具有濾波及抑制諧波功能的補(bǔ)償裝置。

（3）從采用交流接觸器進(jìn)行投切，到選用晶閘管開關(guān)電路投切，以及發(fā)展為等電壓投、零電流切的最佳投切模式。

（4）采用單一的無功功率補(bǔ)償控制器向智能型自動(dòng)補(bǔ)償控制器和配電變壓器的運(yùn)行記錄儀相結(jié)合發(fā)展。

3.2 智能無功補(bǔ)償設(shè)備接線方式及控制元件的發(fā)展

（1）智能無功補(bǔ)償方式以三相共補(bǔ)與分相補(bǔ)償相結(jié)合。

根據(jù)配電網(wǎng)和用戶對用電的需求及投資經(jīng)濟(jì)的要求，新的設(shè)備尤其是大量的電力電子、照明等家居設(shè)備，都是兩相供電，電網(wǎng)中三相不平衡的情況越來越多，三相共補(bǔ)同投同切已無法解決三相不平衡的問題，而全部采用單相補(bǔ)償則投資較大可以采用電容器Δ－Y接線，即三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的接線方案如圖2所示。三相共補(bǔ)部分的電容器為Δ接線，三相分補(bǔ)部分的電容器為Y接線，有的廠家對Y接的電容器組仍采用400 V的電容器。這樣做的目的是由于400 V的產(chǎn)品比較便宜，即使實(shí)際容量較銘牌值小，但由于工作場強(qiáng)低，壽命較長，且整個(gè)裝置只用1個(gè)規(guī)格的電容器，互換性強(qiáng)。。因此根據(jù)負(fù)載情況充分考慮經(jīng)濟(jì)性的共分結(jié)合方式在新的經(jīng)濟(jì)條件下日益廣泛應(yīng)用。

圖2 并聯(lián)電容器△-Y三相共補(bǔ)分補(bǔ)相結(jié)合的接線

（2）電容器投切采用先進(jìn)的復(fù)合開關(guān)。

采用雙向晶閘管的無觸點(diǎn)開關(guān)電路（又稱固態(tài)繼電器）取代交流接觸器用于投切電容器的接線如圖3（a）所示。其優(yōu)點(diǎn)是過零觸發(fā)，無拉弧，動(dòng)作時(shí)間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于繁投切的場合。但也存在以下缺點(diǎn)：①采用雙向晶閘管制造成本高，晶閘管開關(guān)電路的補(bǔ)償柜價(jià)格要比采用接觸器的補(bǔ)償柜貴70%～80%左右；②晶閘管開關(guān)電路運(yùn)行時(shí)有較大的壓降，運(yùn)行中的電能損耗和發(fā)熱問題不可忽視。如采用接觸器則基本上不消耗有功；③晶閘管電路的本身也是諧波源，大量的應(yīng)用對低壓電網(wǎng)的波形不利。因此，除了對晶閘管開關(guān)電路加以改進(jìn)外，還應(yīng)使之在完成開合閘操作后退出，仍由與之并聯(lián)的接觸器維持電容器的正常運(yùn)行。

圖3 復(fù)合開關(guān)電路的接線方式

一個(gè)晶閘管和一個(gè)二極管反并聯(lián)的接線方案如圖3（b）所示。與圖3（a）的接線方案對比，由于相同容量的二極管的價(jià)格低于晶閘管，故用一只晶閘管和一只二極管反并聯(lián)的無觸點(diǎn)開關(guān)電路制造成本較低，而技術(shù)性能相近，但反應(yīng)時(shí)間則較慢些，切除電容器時(shí)，從切除指令的輸出到工作任務(wù)的完成，雙向晶閘管可以在半周波內(nèi)完成，（即時(shí)間t≤10 ms）。如采用圖3（b）的方案，由于二級(jí)管的不可控性，通常其切除時(shí)間要在（0.5～1）Hz之間，即切除時(shí)間t≤20 ms。

等電壓投零電流切的新型無觸點(diǎn)開關(guān)電路的接線如圖3（c）所示，圖中KM為交流接觸器的觸點(diǎn)。其運(yùn)行操作順序：當(dāng)投入電容器時(shí)，先由微電腦控制器發(fā)出信號(hào)給開關(guān)電路，使之在等電壓時(shí)投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發(fā)信號(hào)給接觸器，使其觸點(diǎn)也閉合，將晶閘管開關(guān)電路短路，由于接觸器KM閉合后的接觸電阻遠(yuǎn)小于開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)的電阻，達(dá)到了節(jié)能和延長開關(guān)電路使用壽命的目的。當(dāng)需要切除電容器時(shí)控制器先發(fā)信號(hào)給接觸器，使接觸器觸點(diǎn)KM斷開，此時(shí)開關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，并由開關(guān)電路在電流過零時(shí)，將電容器切除。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關(guān)電路和接觸器的使用壽命長。

（3）提高自動(dòng)控制器的技術(shù)性能和可靠性及采用配電綜合測控儀和無功補(bǔ)償自動(dòng)控制器一體化設(shè)備。

為了提高自動(dòng)控制器的技術(shù)性能和可靠性，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 597－1996《低壓無功補(bǔ)償器訂貨技術(shù)條件》，對控制器的基本功能提出了具體的要求。無功補(bǔ)償自動(dòng)控制器和配電綜合測控儀的一體化問題是城網(wǎng)改造提出的配電網(wǎng)自動(dòng)化問題，也是智能電網(wǎng)的要求。運(yùn)行單位往往要求在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無功補(bǔ)償?shù)牡蛪弘娙萜骱团潆娋C合測控儀。既具備配電變壓器運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄功能又具備無功補(bǔ)償?shù)闹悄芸刂坪捅Ｗo(hù)等兩大功能。自動(dòng)控制器采集三相電壓、電流信號(hào)，跟蹤系統(tǒng)中無功的變化，以無功功率為控制物理量，以用戶設(shè)定的功率因數(shù)為投切參考限量，依據(jù)模糊控制理論智能選擇電容器組合，智能投切是針對星—角結(jié)合情況。電容投切控制采用智能控制理論，自動(dòng)及時(shí)地投切電容補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率容量。根據(jù)配電系統(tǒng)三相中每一相無功功率的大小智能選擇電容器組合，依據(jù)“取平補(bǔ)齊”的原則投入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電容器投切的智能控制，使補(bǔ)償精度高。配電綜合測控儀數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)電壓、電流、功率因數(shù)、有功及無功功率、有功及無功電量、諧波電壓、諧波電流等參數(shù)，有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存期。且具有RS232／485通訊接口，可采用現(xiàn)場或遠(yuǎn)程采集的方式。