淺談智能型低壓無功補償裝置的若干問題

劉鵬 劉啟鳳

摘要：著重介紹近幾年來我國智能型低壓無功補償裝置新產品、新技術和開發動態，并對設計方案中若干技術問題如補償方式、主接線方案、晶閘管開關電路、智能型自動控制器等加以探討。

關鍵詞：智能型低壓無功補償裝置

中圖分類號：C35文獻標識碼： A

1前言

近年來，在城鄉電網改造的實施過程中，低壓并聯電容器無功補償裝置的設計方案有了重大的改進和突破，取得了滿意的運行效果。對提高供電電壓質量，挖掘供電設備的潛力、降低線路損失及節能均起到積極的作用。本文就智能型低壓無功補償裝置開發中的若干技術問題和發展方向進行討論，以供參考。

2低壓補償的改進

低壓無功補償的傳統模式主要有以下三種型式，①裝于低壓電動機的單臺就地補償；②裝于配電變壓器低壓側的補償箱；③裝于企業配電房或車間以及高層建筑樓層配電間的自動補償柜（如PGJ柜等）。限于篇幅，對單臺補償問題本文不作討論。低壓補償箱和補償柜的技術改進和新技術應用歸納起來主要有以下幾方面：

（1）由三相共補到分相補償，以求達到更理想的補償效果；

（2）由單一的無功補償到同時具有濾波及抑制諧波功能的補償裝置；

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

（4）智能型自動補償控制器和配電變壓器的運行記錄儀相結合；

（5）將低壓補償的功能納入箱式變電站或美式箱變的低壓部分；

（6）采用不銹鋼或航空鋁板的箱體，具有防寒、防曬、密封、防潮、防銹的特點；

（7）選用干式或充SF6的自愈式并聯電容器，提高運行可靠性，延長使用年限。

3△－Y共補與分補相結合的接線

3．1三相共補的接線

傳統的低壓補償都是采用三相共補的方式，根據控制器統一取樣，各相投入相同的補償容量，這種補償方式的接線如圖1所示。適用于三相負載基本平衡、各相負載的cosφ相近的網絡。為什么國內外制造廠對三相共補的電容器均選用△接線呢？主要是額定電壓400V的自愈式電容器的價格較同容量額定電壓220V的電容器要便宜得多。這是由于原材料價格的原因和400V電容器極間工作電場強度較高的緣故。以400V的電容器為例，用厚8μm金屬化膜時，工作場強為50MV／m，如用厚7μm的金屬化膜，工作場強為57．14M V／m，而220V的電容器，如維持與上述的工作場強相近時，則必須選用更薄的金屬化膜，但4～5μm薄膜的價格要比7～8μm薄膜貴得多，故對230V電容器一般是采取降低工作場強的設計，按照國內的通常價格，同容量的230V電容器的價格為400V電容器價格的2倍以上。

3．2三相分補的接線

三相分補方式就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補償容量。適用于各相負載相差較大，其cosφ值也有較大差別的場合。接線如圖2所示。與三相共補的不同特點是：①單臺并聯電容器的額定電壓為230V，Y接；②控制器分相進行工作，互不影響。當然，其價格高于三相共補的裝置，一般要貴20％～30％。

3．3Δ－Y共補與分補相結合的接線

從經濟的角度出發，也可以采用電容器Δ－Y接線，即三相共補與三相分補相結合的接線方案如圖3所示。三相共補部分的電容器為Δ接線，三相分補部分的電容器為Y接線，例如某廠家Δ接電容器組的單臺電容器分別為400V，10、15、20、30kvar。Y接電容器組的單臺電容器分別為：230V，3、4、5、6、8、10kvar。這種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活，其成套價格低于圖2的接線方案。也有的廠家對Y接的電容器組仍采用400V的電容器，其單臺銘牌容量與Δ接電容器組選用相同的電容器，而Y接部分的電容器實際輸出的容量只有銘牌的1／3。這樣做的目的是由于400V的產品比較便宜，即使實際容量較名牌值小，但由于工作場強低，壽命較長，且整個裝置只用一個規格的電容器，互換性強。

圖1并聯電容器△接三相共補的接線

圖 2并聯電容器Y接三相分補的接線

4并聯電容器的投切開關

4.1交流接觸器

70年代廣泛應用的PGJ補償柜。都是采用交流接觸器作為并聯電容器的投切開關，迄今仍有沿用。其缺點：①投入電容器時產生倍數較高的涌流，容易在接觸器的觸點處產生火花，燒損鋤頭；②切斷電容時，容易粘住觸頭，造成拉不開；③涌流過大對電容本身有害，會影響使用壽命。當時采用的措施是：（1）適當選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40A的接觸器投切15kar的三相電容器（Ic=21.7A）；（2）采用專用的接觸器，其型號有CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；（3）每臺電容器加裝串聯小電抗器，用以抑制涌流。

圖 3并聯電容器△-Y三相共補分補相結合的接線

4．2雙向晶閘管開關電路

采用雙向晶閘管的無觸點開關電路（又稱固態繼電器）取代交流接觸器用于投切電容器的接線如圖4（a）所示。其優點是過零觸發，無拉弧，動作時間短，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：①采用雙向晶閘管制造成本高，晶閘管開關電路的補償柜價格要比采用接觸器的補償柜貴70％～80％左右；②晶閘管開關電路運行時有較大的壓降，運行中的電能損耗和發熱問題不可忽視。以BZMJ0．4－15－3并聯電容器為例，其額定電流為21．7A，如晶閘管開關的電壓降為1V時，3個晶閘管開關電路運行時，損耗的功率為：P＝3×1×21．7＝65．1W，如補償柜的無功功率為90kvar，則全部投入時，晶閘管的功率損耗為65．1×6＝390．6W，以每天平均10h計，日耗電量達3．906kW·h。年耗量約為1426kW·h，有功消耗的發熱量還會增加整個補償裝置的溫升，而需采用相應的散熱降溫的措施，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，大量的應用對低壓電網的波形不利。因此，除了對晶閘管開關電路加以改進外，還應使之在完成開合閘操作后退出，仍由與之并聯的接觸器維持電容器的正常運行。

（a）(b)

圖 4晶閘管開關電路的接線方案

（a）晶閘管反向并聯（b）晶閘管和二極管反并聯

4．3晶閘管和二極管反并聯的開關電路

一個晶閘管和一個二極管反并聯的接線方案如圖4（b）所示。與圖4（a）的接線方案對比，由于相同容量的二極管的價格低于晶閘管，故用一只晶閘管和一只二極管反并聯的無觸點開關電路制造成本較低，而技術性能相近，但反應時間則較慢些，切除電容器時，從切除指令的輸出到工作任務的完成，可以在半周波內完成，（即時間t≤10ms）。如采用圖4（b）的方案，由于二級管的不可控性，通常其切除時間要在0．5～1Hz之間，即切除時間t≤20ms。

4．4等電壓投零電流切的新型無觸點開關電路

等電壓投零電流切的新型無觸點開關電路的接線如圖5所示，圖中J為交流接觸器的觸點。其運行操作順序說明如下：當投入電容器時，先由微電腦控制器發出信號給開關電路，使之在等電壓時投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發信號給接觸器，使其觸點也閉合，將晶閘管開關電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠小于開關電路導通時的電阻，達到了節能和延長開關電路使用壽命的目的。當需要切除電容器時控制器先發信號給接觸器，使接觸器觸點J斷開，此時開關電路處于導通狀態，并由開關電路在電流過零時，將電容器切除。本方案的優點是：運行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關電路和接觸器的使用壽命長。

圖 5等電壓投零電流切的開關電路

4．5兩相兩管開關電路投切的三相Δ形接線電容器組

兩相兩管開關電路投切三相Δ形接線電容器組的接線如圖6所示。該項投切原理是北京首電科技有限公司的專利技術，已在我國低壓配電網中獲得廣泛的應用，效果是滿意的。

圖 6兩相兩管開關電路投切三相△形接線電容器組的接線

5智能型自動控制器

5．1檢測量和控制目標

檢測量主要有cosφ、無功功率Q和無功電流Iq三種，80年代中期多選用以cosφ為檢測量的控制器，執行手段是投切電容器，補償的最終目的是減少進出電網的無功功率。此方案的主要缺點是：輕載時容易產生投切震蕩，重載時又不易達到充分補償，故新型的控制器已不再選用以cosφ為檢測量。檢測量為Q的控制器，其工作原理是將電壓和電流的信號送入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測出Q＝UIsinφ，由于檢測量和控制目標都是同一物理量，技術上是合理的，但檢測難度要大些。檢測量為Iq的控制器，利用了相電壓u由正到負過零的瞬間，恰好就是A相無功電流最大值Iqmax的原理，用相電壓u負過零信號控制，采用開關和簡單的保持電路，以完成對Iq實時檢測。這種方案的優點是：檢測方法簡單，不會發生震蕩，補償效果與電網電壓的波動無關。

5．2檢測點的設置方案

有兩種選擇方案：①控制器輸入電壓和電流信號的檢測點設在補償設備的前端，如圖7中的A點處；②檢測點設在補償設備后端如圖7中的B點處。

圖 7自動控制器的檢測點

檢測點A由于不能直接檢測負載的無功功率，不易實現多組電容器的一次快速投切，通常采用逐級漸進的投切方式，較慢地達到應補償值，因此僅適用于負載運行較平穩，無大容量沖擊負載，不需要快速動態補償的場合。如接于檢測點B，其優點是僅根據負載Q和Iq測得值，決定電容器投入組數，是一種只管投切，不控制補償后實際效果的控制方式，其優點是控制方式簡單，可一次快速投切多組電容器，缺點是靜態補償的精度較差。有關專家還提出了兼顧兩者優點的閉合控制方式，即檢測點設在A處，檢測補償后的無功功率ΔQ，又通過ΔQ求得負載的全部無功功率Q，即完全補償時所需投入的全部電容器的無功功率，這種由變動量求總和的設想，可通過微機來實現，又因可一次投入應投的全部電容器，獲得快速的動態補償特性，是目前公認的比較理想方案。

5．3對自動控制器性能及質量的要求

目前全國大約有200多家企業生產無功補償自動控制器，其中多數是技術水平很低、缺乏較齊全的檢測設備，生產批量小，質量難以保證的家庭作坊式小廠。為了提高自動控制器的技術性能和可靠性，電力行業標準DL／T597－1996《低壓無功補償器訂貨技術條件》，對控制器的基本功能提出以下要求：①應具有電容器投入及切除門限設定值、延時設定值、過電壓保護設定值的設置功能；②對可按設定程序投切的控制器，應具有投切程序設置功能；③面板功能鍵的操作應有容錯功能；④面板的設置應具有硬件或軟件閉鎖功能。為了提高控制器工作的可靠性還應注意以下幾點：①控制器應有防止在小負載情況下出現投切震蕩的措施；②合理簡化控制器的電路設計，元器件數量越多，電路越復雜，則控制器的故障率越高；③減少一些控制器本身不必要附加功能，例如自動和手動的切換，電容器故障的報警等功能均應由控制器轉移到無功補償屏上；④選用質量優良的單片機和電子元器件；⑤注意自動控制器抗電磁干擾的能力；⑥合理選擇檢測量和控制方案。

5．4配電綜合測控儀和無功補償自動控制器一體化

無功補償自動控制器和配電綜合測控儀的一體化問題是城網改造提出的配電網自動化問題，運行單位往往要求在配電變壓器的低壓側同時加裝無功補償的低壓電容器和配電綜合測控儀。以北京首電科技研制的SDPD－2000配電綜合測控儀為例，兼具配電變壓器運行參數的數據采集、顯示和記錄以及無功補償的智能控制和保護等兩大功能。數據采集的范圍包括：電壓、電流、功率因數、有功及無功功率、有功及無功電量、諧波電壓、諧波電流，每日電壓和負載電流的最大值和最小值，停電時刻、來電時刻及累計停電時間，每相過電壓、欠電壓及缺相時間等參數，數據儲存期為2個月。且具有RS232／485通訊接口，可采用現場或遠程采集的方式。顯示方面采用液晶顯示器，全中文直觀顯示配電變壓器運行的有關參數。無功補償智能化控制方面取樣的物理量為負載的無功功率Q；可對Δ－Y電容器組的任意組合方式進行調節；防止無功投切震蕩及補償呆區；當電網中發生過電壓、欠電壓、缺相、諧波或零序電流超標及電容器溫升超標時，快速切除補償電容器。

6結束語：

本文從改進無功補償裝置的設計方案和技術更新，并通過在城鄉電網改造的實施過程中的應用。取得了滿意的運行效果。對提高供電電壓質量，挖掘供電設備的潛力、降低線路損失及節能均起到積極的作用。

參考文獻：

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