低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置元件選型及適用性分析

王勇，彭勝吉

(1.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心沈陽(yáng)分中心，遼寧 沈陽(yáng) 110024;2.沈陽(yáng)電氣傳動(dòng)研究所(有限公司)，遼寧 沈陽(yáng) 110141)

1 引言

在現(xiàn)代供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，如何經(jīng)濟(jì)、效率的提高電能質(zhì)量成為人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的話題，其中最有效的方法之一即對(duì)感性負(fù)載的無(wú)功損耗進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

國(guó)家認(rèn)監(jiān)委2007年第9號(hào)公告:《強(qiáng)制性認(rèn)證產(chǎn)品目錄描述與界定表》，已將低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置明確列入CCC認(rèn)證范圍，認(rèn)監(jiān)委2007年第21號(hào)公告對(duì)低壓無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的各項(xiàng)要求進(jìn)行了明確的規(guī)定，其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T15576－1995;2009年1第19號(hào)公告的要求，將低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置強(qiáng)制性認(rèn)證所適用的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換版，新標(biāo)準(zhǔn)為GB/T15576－2008并于2009年4月1日起實(shí)施。雖然無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的強(qiáng)制性認(rèn)證至今已有4年之久，但現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的要求還不是很完善，在無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)造成如頻繁投切造成的投切開(kāi)關(guān)損壞、電容器老化、斷路器脫扣或熔斷器熔斷等問(wèn)題;電容器容量選取不合理造成的過(guò)補(bǔ)、欠補(bǔ)等補(bǔ)償達(dá)不到最佳效果的問(wèn)題。

本文就以低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置元件選型及其適用性的問(wèn)題，為生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)或使用企業(yè)進(jìn)行日常維護(hù)提供一些參考建議。

2 無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的構(gòu)成

常見(jiàn)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 無(wú)功補(bǔ)償裝置的構(gòu)成

從圖中我們可以看到，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置主要由主進(jìn)線部分、分回路保護(hù)部分、分回路投切部分、補(bǔ)償部分四個(gè)主回路和一個(gè)起到大腦作用的無(wú)功補(bǔ)償控制器部分組成，由于各個(gè)部分可選擇的元件種類很多，由各種元件不同搭配組裝而成的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置雖然均能達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ?，但使用性能和補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量卻有很大的區(qū)別。

2.1 主進(jìn)線部分

主進(jìn)線部分包括主母線和主開(kāi)關(guān)。主母線應(yīng)考慮載流量和短路強(qiáng)度等在正常使用和發(fā)生短路時(shí)所涉及到的問(wèn)題，主母線是母排形式的還應(yīng)考慮絕緣支撐的強(qiáng)度以滿足額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流的要求。

目前主開(kāi)關(guān)主要有3類:隔離開(kāi)關(guān)、隔離開(kāi)關(guān)熔斷器組以及塑殼式斷路器。選用隔離開(kāi)關(guān)做主開(kāi)關(guān)時(shí)，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置沒(méi)有后備保護(hù)，根據(jù)供配電要求需要在裝置以外提供后備保護(hù)，以免在整個(gè)補(bǔ)償裝置發(fā)生短路故障時(shí)影響到整個(gè)供電系統(tǒng);選用隔離開(kāi)關(guān)熔斷器組做主開(kāi)關(guān)時(shí)，無(wú)功功率補(bǔ)償裝置既能有效地隔離電源端，又有后備保護(hù)的功能，但這種開(kāi)關(guān)對(duì)熔斷器的要求較高，為確保保護(hù)系統(tǒng)的選擇性，選擇合適的熔斷器需要在型式試驗(yàn)的短路強(qiáng)度試驗(yàn)中進(jìn)行比較;選用塑殼式斷路器組做主開(kāi)關(guān)時(shí)，短路保護(hù)后不用更換元件，能夠給整個(gè)裝置提供比較方便的保護(hù)功能，但很多斷路器沒(méi)有隔離功能，功能完備的斷路器價(jià)格比較昂貴。在CCC認(rèn)證時(shí)，如果試驗(yàn)用樣機(jī)選用隔離開(kāi)關(guān)作為主開(kāi)關(guān)進(jìn)行型式試驗(yàn)，在安全件中則不允許覆蓋其他類型開(kāi)關(guān)，而選用隔離開(kāi)關(guān)熔斷器組或塑殼式斷路器做主開(kāi)關(guān)時(shí)可以相互覆蓋。

2.2 分回路保護(hù)部分

分回路的保護(hù)主要有熔斷器、斷路器、熔斷器串聯(lián)過(guò)載繼電器和斷路器串聯(lián)過(guò)載繼電器四種方式。使用熔斷器是最常見(jiàn)的分回路保護(hù)方式，其價(jià)格低廉，使用簡(jiǎn)便，有限流功能，選擇合適的額定電流和分?jǐn)嗄芰椭鏖_(kāi)關(guān)組成較為完善的短路保護(hù)系統(tǒng);斷路器是近幾年才應(yīng)用到無(wú)功功率補(bǔ)償裝置中的，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中以使用簡(jiǎn)單、安裝容易、維護(hù)方便、體積小等優(yōu)勢(shì)逐漸取代熔斷器，但是對(duì)斷路器的選型卻有一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題，目前絕大部分無(wú)功功率補(bǔ)償裝置中作為分回路保護(hù)的斷路器的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB10963.1的家用及類似場(chǎng)所用過(guò)電流保護(hù)斷路器，其短路分?jǐn)嗄芰?、電氣間隙和爬電距離等要求均不能滿足GB/T15576的要求，在斷路器的選用上，應(yīng)充分考慮該斷路器的性能參數(shù)是否滿足無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其重要的是短路保護(hù)的要求，同時(shí)斷路器受投切開(kāi)關(guān)涌流影響會(huì)頻繁脫扣，所以在選取分回路保護(hù)元件時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎選用斷路器;過(guò)載繼電器通常與機(jī)電式投切開(kāi)關(guān)配合使用，起到過(guò)載保護(hù)的作用，較好的過(guò)載繼電器同時(shí)還具有斷相等保護(hù)功能。

為保證電容器可以在1.1倍額定電壓下長(zhǎng)期運(yùn)行，在選擇分回路保護(hù)元件額定電流時(shí)應(yīng)滿足1.3倍的電容器額定電流條件下連續(xù)運(yùn)行，如考慮在實(shí)際工作中電容器最大點(diǎn)容量可達(dá)1.10CN，則擇分回路保護(hù)元件額定電流時(shí)應(yīng)滿足1.43倍的電容器額定電流條件下連續(xù)運(yùn)行。

2.3 分回路投切部分

投切開(kāi)關(guān)主要有3類:機(jī)電開(kāi)關(guān)(如接觸器)、半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)(如晶閘管)和復(fù)合開(kāi)關(guān)(機(jī)電開(kāi)關(guān)和半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)并聯(lián)的組合開(kāi)關(guān))，3類開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)在國(guó)內(nèi)有很多文章進(jìn)行過(guò)介紹，本文不再累述，這里只提一些配合方面的問(wèn)題。接觸器等在投入電容器會(huì)產(chǎn)生較大涌流的開(kāi)關(guān)不適合用斷路器做分回路保護(hù)，以防止斷路器頻繁性脫扣;用于快速補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)所優(yōu)選半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)。其次復(fù)合開(kāi)關(guān)，不能選用機(jī)電開(kāi)關(guān)，同時(shí)應(yīng)選用響應(yīng)速度較快的控制器，目前國(guó)內(nèi)很多企業(yè)生產(chǎn)的控制器和半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)配合使動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間可以控制在20ms以內(nèi);選用半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)時(shí)，由于半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)在工作狀態(tài)下的發(fā)熱對(duì)元件的使用壽命和性能都有比較嚴(yán)重的影響，建議為半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)配備散熱系統(tǒng)。

投切開(kāi)關(guān)額定電流的選擇同分回路保護(hù)開(kāi)關(guān)。

2.4 補(bǔ)償部分

補(bǔ)償部分主要由電抗器和電容器構(gòu)成。

電抗器具有抑制涌流和抑制一定頻率諧波的功能，在選取電抗器時(shí)應(yīng)考慮投切開(kāi)關(guān)是否需用電抗器來(lái)抑制涌流，如選取半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)和復(fù)合開(kāi)關(guān)做投切開(kāi)關(guān)時(shí)則可不配置電抗器;在電力系統(tǒng)中無(wú)諧波源時(shí)也可不配置電抗器，如系統(tǒng)中有諧波源，應(yīng)根據(jù)諧波源的具體情況選取電抗器的電抗率，電抗器用于抑制涌流和抑制諧波的電抗率是不同的，選用電抗器時(shí)應(yīng)先明確用途并經(jīng)過(guò)計(jì)算確定其電抗率后進(jìn)行使用。

電容器是無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)闹黧w，選取電容器時(shí)應(yīng)考慮無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的工作電壓與電容器額定電壓和補(bǔ)償容量與電容器額定容量在實(shí)際工作中不一致的問(wèn)題，如式(1):

式中:Q為補(bǔ)償容量;f為電源頻率;CN為額定電容;U為投入電容后系統(tǒng)電壓。

可以看出一個(gè)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置中補(bǔ)償容量?jī)H與投入電容后的系統(tǒng)電壓有關(guān)，而無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的額定容量是在電容器額定電壓下的容量，例一組型號(hào)為0.45－30－3的自愈式并聯(lián)電容器在系統(tǒng)電壓為0.45kV時(shí)，補(bǔ)償容量為 30kvar，如系統(tǒng)電壓為0.38kV，則補(bǔ)償容量為21.4kvar。在計(jì)算無(wú)功功率補(bǔ)償容量時(shí)應(yīng)考慮系統(tǒng)需要無(wú)功功率補(bǔ)償時(shí)穩(wěn)定工作電壓和最大工作電壓投入數(shù)組電容器后的系統(tǒng)電壓對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償容量。

在設(shè)計(jì)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置時(shí)可以選用不同容量的電容器和編碼投切的控制方式以達(dá)到精確補(bǔ)償和選用單相電容器以滿足大量使用單相負(fù)荷場(chǎng)所的無(wú)功功率補(bǔ)償需要。

為滿足低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置CCC認(rèn)證的要求，在選用電容器時(shí)應(yīng)考慮放電性能，例滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T12747.1－2004放電要求“每一組電容器單元和(或)組應(yīng)備有使每一單元在3min內(nèi)從UN的初始峰值電壓放電到75V或更低的放電器件”的電容器不一定能夠滿足GB/T15576－2008“從額定電壓峰值放電至50V的時(shí)間不大于3min”的放電要求。

2.5 無(wú)功補(bǔ)償控制器

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了集成電路、CPU、DSP等技術(shù)構(gòu)成的、各具特色的無(wú)功補(bǔ)償控制器。關(guān)于無(wú)功補(bǔ)償控制器介紹的文獻(xiàn)很多，本文不做詳細(xì)介紹。在選用無(wú)功補(bǔ)償控制器時(shí)應(yīng)考慮控制器的性能是否滿足無(wú)功功率補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)的要求，如選用半導(dǎo)體電子開(kāi)關(guān)和復(fù)合開(kāi)關(guān)做投切開(kāi)關(guān)，控制器應(yīng)滿足GB/T15576－2008動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求。

在申請(qǐng)CCC認(rèn)證時(shí)，安全件中的無(wú)功補(bǔ)償控制器應(yīng)經(jīng)過(guò)JB/T9663－1999自愿性認(rèn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)供配電網(wǎng)進(jìn)行合理的無(wú)功功率補(bǔ)償，既能得到很好的節(jié)能效益和電能質(zhì)量，又可以減少電費(fèi)支出獲得較為可觀的經(jīng)濟(jì)收益。目前國(guó)內(nèi)的無(wú)功功率補(bǔ)償裝置在優(yōu)化投切模式、安全性能、電磁兼容等方面還有很大的提升空間，在關(guān)注無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)，還應(yīng)該逐步提高無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的性能，使我國(guó)無(wú)功功率補(bǔ)償領(lǐng)域持續(xù)保持生長(zhǎng)力。

［1］ GB 7251.1－2005/IEC 60439－1;1999低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分:型式試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)成套設(shè)備［S］.

［2］ GB/T 15576－2008低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置［S］.

［3］ GB/T 12747.1－2004/IEC 60831－1:1996標(biāo)稱電壓1kV及以下交流電力系統(tǒng)用自愈式并聯(lián)電容器第1部分:總則－性能、試驗(yàn)和額定－安全要求－安裝和運(yùn)行導(dǎo)則［S］.