無功補償多功能檢測系統的設計與研制

劉建業 楊 軍 陳 杰

（山東華天電氣有限公司）

0 引言

無功補償裝置近年來在汽車制造、冶金、煤炭及配電臺區等眾多領域得到廣泛應用，負載的快速變化要求無功補償裝置具有極快的響應速度，部分無功補償裝置具有濾除諧波功能。因此，對無功補償裝置檢測設備也提出了更高的要求。

1 背景需求

傳統無功補償檢測系統（見圖1）由負載單元（電感柜和電阻柜）、配電柜、調壓器組成。其占用場地大、損耗高、效率低，所需調壓器容量大，但由于檢測設備成本低，因此，仍被大量使用。新型的無功補償檢測系統是理想的無功補償檢測系統（見圖2），由能饋負載、配電柜、電網模擬柜組成。能饋負載提供檢測所需要的各種負載；配電柜為能饋、電網模擬柜、無功補償裝置提供電源；電網模擬柜能夠模擬高低電壓、頻率、電壓不平衡等眾多的電網參數。其功能完善，但能饋負載及電網模擬柜價格昂貴，因此現階段未被大量采用。針對現有無功補償檢測系統存在的不足，設計一種無功補償檢測系統，造價低、體積小且測試功能全面，可滿足不同類型無功補償裝置的測試。

圖1 傳統無功補償檢測系統原理圖

圖2 新型無功補償檢測系統原理圖

圖1、圖2分別為傳統無功補償檢測系統、新型無功補償檢測系統原理圖。

2 無功補償檢測系統研制

針對上述問題及現有技術存在的不足，本文提出一種無功補償檢測系統，包括注入變壓器、整流單元、逆變單元、靜態開關STS、模擬負載單元及設備控制單元，如圖3所示。整流單元不僅為逆變單元提供直流支撐還要補償待測無功補償裝置發出的無功，接收設備控制單元指令自發電流諧波，因此逆變單元容量為100kvar，整流單元容量為500kvar。

圖3 無功補償檢測系統原理圖

2.1 系統構成

如圖3所示，無功補償裝置檢測系統由注入變壓器、整流單元、逆變單元、靜態開關STS、模擬負載單元及設備控制單元組成。逆變單元接收設備控制單元指令向注入變壓器注入適當的補償電壓，調節待測無功補償裝置輸入端電壓，進行與待測無功補償裝置過電壓欠電壓相關試驗。整流單元不僅接收設備控制單元指令自發電流諧波，同時對逆變單元提供直流支撐；整流單元通過電流互感器CT2及單元內部的電壓互感器實時計算待測無功補償裝置的輸出，產生等容量的感性無功用以抵消待測無功補償裝置產生的容性無功。模擬負載單元由原副邊匝數比為一定比例的△型變壓器構成，原副邊均為6抽頭。其中變壓器原邊與系統電壓UAB、UBC、UCA連接，副邊Uac通過端子與待檢測設備A相檢測電流連接，對于△接線，線電壓和相電壓幅值、相位均相等。利用電流采樣線的感抗，將變壓器副邊電壓信號變為電流信號。同時，由于導線電感的存在，電流信號滯后電壓信號90°，可得A相電壓信號（UA）與A相電流信號（IAC）相位差為30°，此時待測無功補償設備采樣到A相功率因數為cosφ=0.866。同理，變壓器副邊Uba通過端子與待檢測設備B相檢測電流連接，變壓器副邊Ucb通過端子與待檢測設備C相檢測電流連接。因此，模擬負載提供了一個功率因數為0.866，可通過設置互感器變比調節感性無功功率大小的模擬負載，實現待測無功補償裝置的自動投切。同時，通過改變某一相或者兩相電流采樣線長度或者截面積，可產生三相不平衡模擬負載，設備控制單元通過接觸器KM2控制模擬負載的產生。設備控制單元采集電流互感器CT1電流信號及電壓互感器PT1電壓信號，計算檢測設備源側的電網參數；設備控制單元通過光纖與整流及逆變模塊通信，用于下傳輸出指令及接收模塊狀態信息；同時，設備控制單元控制接觸器KM1（包括三個單相接觸器）的吸合與分斷。對于△型變壓器，模擬負載A相采樣電壓與A相采樣電流相位關系如圖4所示。

圖4 模擬負載A相采樣電壓與采樣電流相位關系

2.2 系統功能介紹

所述無功補償裝置檢測系統可實現對無功補償裝置的過電壓、欠電壓保護試驗；無功補償試驗；響應時間測試；缺相保護實驗；諧波抑制或諧波濾除功能試驗；三相不平衡檢測；涌流檢測等性能試驗。

2.2.1 過電壓、欠電壓保護試驗

閉合斷路器QF2，設備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態開關STS導通，此時待測無功補償裝置與電網接通。設備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負載單元接入電網，此時，模擬負載單元產生三相功率因數為0.866，無功功率可調的模擬負載。待測無功補償裝置檢測到模擬負載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數，并根據計算結果投入無功補償裝置內電容支路。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補償裝置投入無功量，發出等量感性無功，抵消待測無功補償裝置投入容性無功。待無功裝置內支路全部投入后，設備控制單元通過光纖向逆變單元發送指令，逆變單元向注入變壓器注入補償電壓，通過改變注入電流的大小及方向改變注入變壓器的輸出電壓，以改變待測無功補償裝置輸入電壓。設備控制單元通過采樣電壓互感器PT1信號，實時檢測待測無功補償裝置輸入端電壓，待待測無功補償裝置輸入端電壓達到過電壓或欠電壓設定值時，觀察無功補償裝置切除情況。若待測無功補償裝置在規定的時間內全部切除投入電容器組，則說明待測無功補償裝置過電壓、欠電壓保護功能合格。整流單元接收設備控制單元指令，不僅為逆變單元提供直流支撐，同時發出等量感性無功，抵消補償裝置容性無功。因此，電網側電流很小，實現了總進線電源容量很小的情況下，對待測無功補償裝置大容量的檢測。

2.2.2 無功功率補償檢測

閉合斷路器QF2，設備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態開關STS導通，此時待測無功補償裝置與電網接通。設備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負載單元接入電網，模擬負載單元產生三相功率因數為0.866，無功功率可調的模擬負載。待測無功補償裝置檢測到模擬負載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數，并根據計算結果投入無功補償裝置內電容支路。由于模擬負載為恒定值，因此待測補償裝置會逐組全部投入。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補償裝置投入無功量，發出等量感性無功，抵消待測無功補償裝置投入容性無功。當待測補償裝置全部投入后，觀察各組補償支路電流大小，判斷補償支路是否正常。設備控制單元控制交流接觸器KM2斷開，觀察無功補償裝置逐路切除情況。

2.2.3 響應時間檢測

閉合斷路器QF2，設備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態開關STS導通，此時待測無功補償裝置與電網接通。設備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負載單元接入電網，此時，模擬負載單元產生三相功率因數為0.866，無功功率可調的模擬負載。利用示波器記錄待測無功補償裝置采樣電流突變時刻T1，待測無功補償裝置檢測電壓信號及電流信號后，計算模擬負載的無功功率及功率因數，投入無功補償裝置內電容支路。此時，利用示波器記錄待測無功補償裝置輸出電流變化時刻T2，T2-T1即為補償裝置響應時間。

2.2.4 缺相保護檢測

閉合斷路器QF2，設備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態開關STS導通，此時待測無功補償裝置與電網接通。設備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負載單元接入電網，模擬負載單元產生三相功率因數為0.866，無功功率可調的模擬負載。待測無功補償裝置檢測到模擬負載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數，并根據計算結果投入無功補償裝置內電容支路。由于模擬負載為恒值，因此待測補償裝置會逐組全部投入。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補償裝置投入無功量，發出等量感性無功，抵消待測無功補償裝置投入容性無功。當待測補償裝置全部投入一段時間后，設備控制單元切除三只單相交流接觸器其中的任意一相，待測無功補償裝置應切除全部投入的電容器支路，則缺相保護功能合格。

2.2.5 諧波抑制或諧波濾除檢測

閉合斷路器QF2，設備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態開關STS導通，此時待測無功補償裝置與電網接通。設備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負載單元接入電網，此時，模擬負載單元產生三相功率因數為0.866，無功功率可調的模擬負載。待測無功補償裝置檢測到模擬負載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數，并根據計算結果投入無功補償裝置內電容支路。整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補償裝置投入無功量，發出等量感性無功，抵消待測無功補償裝置投入容性無功。待無功裝置內電容支路全部投入后，設備控制單元向整流單元發送諧波輸出指令，整流單元接收指令后按照設備控制單元設定的諧波次數及幅值向電網注入諧波。此時，設備控制單元采樣電流互感器CT1電流信號及電壓互感器PT1電壓信號，計算注入變壓器輸出側電流諧波次數及含量，檢驗無功補償裝置被動諧波濾除或抑制能力。

2.2.6 三相不平衡補償檢測

將無功補償裝置電流采樣線其中一相或者兩相采用不同截面積或者長度的導線，由于采樣導線截面積或者長度不同，則采樣導線感抗不同，此時三相采樣電流不一致，截面積小或者長度長的導線電流值偏小，可以模擬不平衡負載。閉合斷路器QF2，設備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態開關STS導通，此時待測無功補償裝置與電網接通。設備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負載單元接入電網，此時，模擬負載單元產生三相功率因數為0.866，三相電流及功率不平衡的可調的模擬負載。待測無功補償裝置檢測到模擬負載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數，并根據計算結果投入無功補償裝置內電容支路，實現裝置不平衡補償功能的測試。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補償裝置投入無功量，發出等量感性無功，抵消待測無功補償裝置投入容性無功。

2.2.7 涌流檢測

閉合斷路器QF2，設備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態開關STS導通，此時待測無功補償裝置與電網接通。設備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負載單元接入電網，模擬負載單元產生三相功率因數為0.866，無功功率可調的模擬負載。待測無功補償裝置檢測到模擬負載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數，并根據計算結果投入無功補償裝置內電容支路。由于模擬負載為恒定值，因此待測補償裝置會逐組全部投入。在裝置投入最后一組電容器時，設備控制單元通過電流互感器CT1檢測該最后一組電容器投入時涌流值，隨機投入試驗應不小于20次，如最大涌流值小于電容器額定電流值5倍，則證明涌流檢測合格。

3 結束語

針對現有無功補償裝置檢測系統存在的不足，提出一種無功補償裝置檢測系統，介紹了系統結構、工作原理。系統采用注入變壓器調節待測補償裝置輸入電壓，變壓器容量小，節約成本；利用小容量變壓器作為模擬負載單元，結構簡單，無損耗，造價低、體積小；通過整流單元對消無功補償裝置發出無功，實現進線電源容量很小的情況下，大容量無功補償裝置的功能試驗，因此，系統造價低、體積小。同時可以實現無功補償裝置的各項功能檢測，有效替代傳統的無功補償檢測設備，滿足生產企業及檢驗院所無功補償裝置的功能檢驗及性能測試。