電抗補償技術的應用

童靚 ， 胡洪江

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.寧國賽寶核心基礎零部件產業技術研究院有限公司，安徽 寧國 242300；3.廣州賽睿檢測設備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在電力電網系統上，采用電容補償技術是必不可少的，其主要作用是無功補償或者功率因數補償。電力系統的用電設備在使用時會產生無功功率，而且通常是電感性的，它會使電源的容量使用效率降低；通過在系統中適當地增加電容的方式就可以改善這種狀態。

本文闡述的電抗補償與電力電容補償有異曲同工之處。電抗補償一般應用在交流電動機電容器耐久性試驗設備和抑制電源電磁干擾用固定電容器交流耐久性試驗中，在試驗的電容器樣品上增加電抗可以大大地降低電源功率和減少電量的損耗。

1 電抗補償的基本原理

a） 電抗器 （L）

電抗器也被稱為電感器，通常是把導線繞成線圈，以增強線圈內部的磁場。磁場也儲存能量，因此電抗器是一種能夠儲存磁能的部件。其電壓與電流的關系為：U=LdI/dt（L為電抗器感量），該公式表明：在某一時刻電抗的電壓取決于此時刻電流的變化量。在電抗器中，其電流滯后電壓90°。

電抗器也屬于阻抗元件，其阻抗被稱為感抗，計算公式為：ZL=2πfL。

b） 電容器 （C）

電容器是由兩片金屬極板用介質隔開所構成的。在外電源的作用下，極板上便能分別聚集等量的異性電荷，形成電場。在這過程中外電源所輸出的功應等于電容器所儲存的能量。因此，電容器也是一種能夠儲存電能的部件。其電壓與電流的關系為：I=CdU/dt（C為電容器容量），該公式表明：在某一時刻電容的電流取決于此時刻電壓的變化量。在電容器中，其電流超前電壓90°。

電容器也屬于阻抗元件，其阻抗被稱為容抗，計算公式為：ZC=1/2πfC。

c）電路中的自由振蕩[1]

如果一個電路由一只電抗和一只電容組成 （如圖1所示），則該電路中將會產生自由振蕩現象。

圖1 LC電路中能量的振蕩

假設電容的初始電壓為U0，電抗的初始電流為零。顯然，在初始時刻，能量全部儲于電容中，電抗中沒有儲能。這時電路的電流雖然為零，但電流的變化率不為零，這是因為電抗電壓必須等于電容電壓，電容的電壓不為零，電抗電壓也就不為零；而電抗電壓的存在，意味著dI/dt≠0。因此，電流將開始增大，原來儲存于電容中的能量將發生轉移。隨著電抗電流的增大、電容放電，能量逐步地轉移到電抗的磁場中。當電容的電壓下降到零的瞬間，電抗電壓也為零，因而dI/dt=0，電流達到了最大值I，此時儲能全部轉入到電抗中。由于電抗電流不能躍變，電路中的電流將從I逐步地減小，電容在這樣電流的作用下又被充電。當電抗中的電流下降到零的瞬間，能量又再度全部儲于電容中。這意味著上述過程可以不斷地重復進行，形成周而復始的振蕩，這種振蕩被稱之為自由振蕩。

d）LC諧振

在圖1所示的電路中，當ZL=ZC時，電路將產生諧振。此時，電抗儲存的磁場能量與電容儲存的電場能量相等，產生的自由振蕩的幅度相同。在此狀態下，能量轉換得最徹底。在日常中，電視機、收音機進行頻率調諧采用的就是這一原理，當產生諧振時，接收到的信號是最強的。但在實際的電路中，由于導線電阻、電抗的內阻和電容漏電等因素的影響，這種振蕩也會逐步地衰減。因此，維持電抗與電容的振蕩需要外加電源U。當然，只要滿足諧振條件，即：電抗的感抗ZL與試驗電容的容抗ZC相等時，所需的外加電源的電量是非常小的。如上所述，由于電抗器和電容器這兩種儲能元件的能量是可以相互轉換的，因此當電路中的總電容不足時，可以采用在一只或多只試驗電容器上并聯一組相應的電抗器的方式對電容進行補償，如圖2所示[2]，這就是電抗補償的基本原理。在電抗補償電路中，由于ZL=ZC，則電抗的感量L與試驗電容的容量C之間的關系為：

圖2 增加電抗的試驗電路圖

2 電抗補償在試驗設備中的應用

a）電抗補償的設計

在實際工作中，每次進行耐久性試驗時，其試驗樣品電容器的總容量是不同的。那么，試驗使用的耐久性試驗設備是如何實現電抗補償技術的呢？由于不同的試驗電容器的容量需要有對應的電抗的感量進行補償，在補償電容器容量對應的電抗感量時，一般采用一組具有不同感量值的電抗，組合地選擇不同感量值的電抗來補償對應的試驗電容器的總容量。例如：設計一臺最大總容量為500 μF的試驗電容耐久性試驗設備時，可以選擇具有如表1所示的一組感量值的電抗來進行補償。

表1 電抗器的感量值及其對應的補償電容值

這一組電抗的感量值是通過式 （1）計算出來的，并列出了相應的補償電容量，并且這些電抗采用的是如圖2所示的并聯方式連接。如果試驗設備把所有電抗都使用上去，將補償的電容相加，則總容量合計正好等于500 μF。假如試驗電容的總容量為300 μF，則試驗設備就可以選擇感量值為464、68、68 mH的3只電抗 （對應的補償電容值分別為20、140、140 μF）補償進行試驗，其補償的電容合計正好的300 μF。又假如試驗電容總容量是310 μF，若試驗設備仍然選擇感量值為464、68、68 mH的3只電抗補償進行試驗，就會產生10 μF的差值。由于可調電抗制作工藝難，購買大功率的可調電抗成本很高，因此電容耐久性試驗設備都采用一組固定電抗，通過組合方式，選擇合計補償容量接近試驗電容的總容量的一組電抗進行試驗。

b）補償效果系數

在試驗設備的電抗補償電路中，還存在導線電阻、電抗內阻、鐵芯渦流和電容漏電等因素，再加上電抗補償的總容量與試驗電容的總容量不等的現象，這樣電抗補償電路就會有電能損耗，也就無法實現理想的無阻尼諧振，因此需要外加電源U對其補給。對于設計制作的電抗補償電路應盡量地減少損耗，以達到較高的補償效果。

在采用了電抗補償技術的電容耐久性試驗設備中，其關鍵技術指標就是補償效果系數。補償效果系數η是試驗電流A2與線路電流A1之比，如圖2所示。即：η=A2/A1。如果補償效果系數是20，那么線路電流只有試驗電流的1/20倍，也就是外加電源的功率將減小20倍。

每臺電容耐久性試驗設備都會給出試驗電容總容量范圍，然而在這個范圍內，其補償效果系數是不同的。主要原因是固定電抗組合有個最小變化量，在表1中其最小變化量是20 μF。在這個容量范圍內，通常取最低值為該設備的補償效果系數，試驗設備的補償效果系數越高，電源功率和電量成本費用就會越低。通常可從以下幾個方面來提高試驗設備的補償效果系數：

1）盡量地降低固定電抗組合的最小變化量；

2）選購高品質的電抗 （鐵芯、銅線和絕緣等材料優質，制作工藝和散熱良好）；

3）電抗的實際功率確保是其額定功率的1.2倍為宜，避免電抗過熱燒毀和產生磁飽和現象；

4）連接的導線一定要盡量地短，線徑應足夠大，并且安裝牢緊，以減小阻值；

5）選購高品質的交流接觸器，以滿足電抗組合的 “開”或 “關”要求；

6）在試驗過程中，對于失效的試驗電容器需盡快剔除。

c）試驗設備的功能參數

目前，大多數品牌的電容耐久性試驗設備有自動電抗補償功能，方法是先自動測量試驗電容的總容量，再由PLC控制，自動選擇對應的補償電抗組合，這樣設備操作簡便可靠。除此功能外，還有試驗電壓自動調節功能、補償效果系數自動調節功能等。例如：賽寶品牌55XX系列的交流電容器（如圖3所示）耐久性試驗設備就有較多的功能，其主要功能包括[3]：

1）可以滿足耐久性試驗和沖擊 （通斷）試驗要求；

2）全自動化進行試驗測試，所有的參數在觸摸屏上設置和顯示，參數斷電記憶；有遠程監控功能 （通過手機）；

3）自動檢測試驗電容器的總容量，自動完成電抗補償；達到最小輸入電流，補償效果系數為20；

4）當試驗電壓出現過壓或欠壓時，有自動調整試驗電壓功能 （范圍可設置為1%～10%）；

5）實時監控線路電流，當試驗過程中電容器的容量變化過大，補償效果差時，設備有重新自動補償電抗后再繼續試驗的功能；

6）多路輸出，實時監控每個通道的電壓、電流；

7）具有電壓0 V起調，過壓、欠壓和過流等安全保護功能。

圖3 55XX系列交流電容器耐久性試驗設備

3 電抗補償的應用效果驗證

交流電動機電容器耐久性試驗 （GB/T 3667.1-2016中5.13條款[4]）和抑制電源電磁干擾用固定電容器交流耐久性試驗 （GB/T 6346.14-2015中4.14條款[5]）的條件是：將交流電源施加在多只試驗電容器上，進行長時間試驗 （具體的時間根據該試驗項目的要求確定），一般最短時間也要200 h；第二種類型的電容器耐久性試驗時間為1 000 h。

假如試驗電壓U為700 V （頻率f為50 Hz），電容器的總容量C為500 μF，則所需的功率P為：

其中：電容總容抗ZC=1/2πfC

把數值代入上述公式中，計算出電源所需的功率P≈77 kW；如果試驗時間t為600 h，則完成這項試驗所消耗的電量約為46 000 kW/h。完成一個耐久性試驗帶來如此大的電網負荷和電量成本費用，這顯然是不能接受的。此時，便可以利用電抗補償技術來對試驗電路中的電容總容量進行補償（如圖2所示），以降低電源功率。假設補償效果系數為20，則電源功率將降低為3.8 kW，完成試驗所消耗的電量將減少為2 300 kW/h。由此可見，電抗補償技術能夠極大地降低電源功率和電量成本費用。

4 結束語

隨著電容器制造業的發展，交流電動機電容器和抑制電源電磁干擾用固定電容器的規格要求越來越高，其電容的容量和試驗電壓不斷地增大和增高，因此，通常采用電抗補償來完成其耐久性試驗。試驗證明，其不僅可以節能環保，降低試驗成本，還可以延長試驗設備的壽命。