GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》與T/CPSS 1001—2019《低壓混合式動態無功補償裝置》標準差異分析與研究

劉 朋

0 引 言

伴隨科技發展,無功補償裝置經歷了從簡單到復雜的“演變”過程,其主要方式有并聯電容法和電力電子補償法。并聯電容器是我國應用較多的一種無功補償方法,按照電容投切方式可分為晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC) 、機械式投切電容器(Mechanically Switched Capacitor,MSC),但是單純并聯電容器方式的裝置不能吸收無功功率,投入和切除較慢,且補償的無功均為固定容量,無法動態補償,容易造成過補或欠補的情況。靜止無功發生器(Static Var Generator,SVG)是如今較為先進的補償技術,具有響應速度快、運行范圍寬、產生諧波少等優點,但由于電力電子器件的開關頻率和經濟條件的約束,其補償容量往往不能直接滿足需求。

低壓混合式動態無功補償裝置由SVG和晶閘管投切電容器構成,根據硬件和控制策略的調整,可實現TSC三相共補和三相分補,配合SVG同時使用,從而可實現三相不平衡無功的動態補償。該類無功補償裝置采用了TSC與SVG混合補償的方式,克服了TSC有級補償以及SVG補償容量不足的缺點,從而實現了大范圍的精確動態補償,并兼顧TSC和SVG各自優點,在現有無功補償需求下具有較大的優越性,是低壓無功補償裝置的發展方向。

本文主要探討TSC的低壓無功補償裝置和低壓混合式動態無功補償裝置的檢測標準的差異,以及對比分析情況。

1 標準差異研究分析

1.1 標準適用范圍的差異

GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》適用于額定交流電壓不超過1 000 V(或1 140 V),頻率不超過1 000 Hz的低壓成套無功功率補償裝置[1]。T/CPSS 1001—2019《低壓混合式動態無功補償裝置》適用于50 Hz,額定工作電壓1 000 V(或 1 140 V)低壓配電系統,含有投切開關、電容器、串聯電抗器(可選)和電壓型變流器的并聯型無功補償裝置[2]。兩份標準規定裝置適用頻率不同,且T/CPSS 1001—2019規定了裝置主要元件,明確了裝置必須裝配電壓型變流器。

1.2 術語和定義的差異

兩個標準主要根據各自規定類別的裝置進行了相關術語定義。GB/T 15576—2020主要定義低壓成套無功功率補償裝置和集成低壓無功功率補償裝置的構成,以及根據低壓成套無功功率補償裝置安裝位置定義集中補償裝置、分組補償裝置、末端補償裝置和相間補償裝置。另外,還定義了涌流和動態響應時間等8個技術參數。

T/CPSS 1001—2019主要定義低壓混合式動態無功補償裝置,明確給出構成該裝置的主要部件——無源組件和有源組件的定義。同時,給出無功功率補償控制等5個技術參數的定義,其中動態響應時間的定義與GB/T 15576—2020中有較大差異。GB/T 15576—2020對動態響應時間的說明是從系統無功變化達到設定值時刻起到裝置輸出無功時的時間間隔;T/CPSS 1001—2019中定義從補償對象開始突變到裝置輸出無功達到目標值的90%所需時間。動態響應時間示意圖如圖1所示。

圖1 動態響應時間示意圖

T/CPSS 1001—2019定義的動態響應時間為電力行業內所普遍接受,在有源型電能質量治理裝置標準中對動態響應時間的定義方式基本與本標準相同[3]。

1.3 裝置分類方式的差異

GB/T 15576—2020中分別根據使用場所、安裝位置、補償相數、投切電容器的元件類型和有無抑制諧波或濾波功能5種方式劃分為不同類別的裝置。

T/CPSS 1001—2019根據電氣接線方式分為三相三線和三相四線型,根據三相無功補償方式把裝置分為共補型、分補型和共分補型。

1.4 裝置使用條件的差異

GB/T 15576—2020中分別從正常使用條件的空氣溫度(含戶內和戶外裝置)、濕度條件(含戶內和戶外裝置)、污染等級、海拔和安裝地點條件,以及特殊使用條件說明裝置可以安裝使用的場景。T/CPSS 1001—2019中分別從周圍空氣溫度(含戶內和戶外裝置)、相對濕度、污染等級、海拔、抗震水平和電氣條件,以及特殊使用條件說明裝置可以安裝使用的場景。

其中,兩個標準在空氣溫度和濕度條件,以及污染等級的使用條件基本相同。海拔高度使用條件上,GB/T 15576—2020規定的無功補償裝置安裝地點的海拔高度不超過2 000 m,T/CPSS 1001—2019要求安裝地點海拔高度規定不應超過1 000 m,如果安裝地點海拔高度超過1 000 m,應對相關的溫升限值和絕緣等進行修正。T/CPSS 1001—2019中增加了抗震水平,規定安裝地點無劇烈振動及顛簸,安裝傾斜度不大于5°。在電氣條件的規定中,T/CPSS 1001—2019明確混合式動態無功補償裝置的適用電網條件:電壓變化范圍為85%UN～115%UN,相比GB/T 15576—2020規定的無功補償裝置適用電壓波動不超過±10%額定工作電壓的范圍要更大。這反映出混合式動態無功補償裝置由于電力電子模塊的存在,使得整個裝置的電氣適用性增強。

1.5 裝置基本防護差異

GB/T 15576—2020中第7.4.2條基本防護旨在防止直接與危險帶電部分接觸。能夠利用裝置本身適宜的結構措施,或在安裝過程中采取的附加措施來獲得基本防護。并指出兩種基本防護方式:一種是第7.4.2.2條由絕緣材料提供基本絕緣,危險帶電部分應用絕緣完全覆蓋。另一種是第7.4.2.3條采用擋板或外殼方式,用空氣絕緣的帶電部分應安置在至少提供IPXXB防護等級的外殼內或擋板的后面;導電的擋板或外殼與帶電部分的距離應不小于第7.3條規定的電氣間隙與爬電距離。同時,第7.2.2條中要求防止觸及帶電部分以及外來固體和水進入的防護等級,戶內使用裝置防護等級不低于IP20,戶外使用裝置防護等級不低于IP44。

T/CPSS 1001—2019中第6.5條指出戶內使用裝置防護等級不低于IP20,操作面板防護等級不低于IP40;戶外使用裝置防護等級不低于IP44。

1.6 裝置的控制和保護功能的差異

GB/T 15576—2020中主要針對的是由電容器和控制投切裝置來實現無功功率的補償裝置,第8.6.1條一般要求說明對自動控制投切的設備應設有工頻過電壓保護,對非自動控制投切的設備,宜裝有過電流保護。同時,詳細規定了工頻過電壓保護、涌流保護和缺相保護的內容。

T/CPSS 1001—2019第5.3條控制功能規定了無功功率補償控制、功率因數補償控制、電壓控制(可選)、諧波濾除(可選)、三相不平衡補償(可選)共5個控制功能。結合有源模塊功能,該標準中規定了7項保護功能,即交流輸入欠壓保護(可選)、交流輸入過壓保護、輸出過電流保護、諧波超限保護、缺相保護、自恢復(可選)和溫度保護。

T/CPSS 1001—2019第5.3條和GB/T 15576—2020第8.6.1條內容對比如表1所示。

表1 T/CPSS 1001—2019第5.3條和GB/T 15576—2020第8.6.1條內容對比

1.7 裝置性能試驗的差異

裝置在性能試驗方面主要是動態響應時間試驗、諧波濾除率試驗、三相不平衡補償試驗、損耗試驗和過載能力試驗等。

1.7.1 動態響應時間試驗

動態響應時間試驗作為關鍵的測試項目,兩項標準對該項目的定義,根據裝置本身的特點有明顯的差異。GB/T 15576—2020中主要針對具有投切電容器的元件控制投切的裝置,投切元件如機電開關、半導體電子開關(如晶閘管)和復合開關。針對這類型裝置,采用半導體電子開關或復合開關投切的裝置,其動態響應時間不大于1 s。具體的測試方法:裝置在額定電壓的自動工作狀態,主電路中投入大于設定值的感性負荷,檢測感性負荷電壓的變化,記錄該時刻為T1,同時檢測電容器投入的電流變化,記錄補償電容器輸出電流發生變化的時刻T2,裝置的動態響應時間T為T2-T1,試驗3次取最長時間T值。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.3條動態響應時間試驗,分別針對有源組件和整個裝置做了兩方面的規定說明。第7.9.3.1條有源組件動態響應時間試驗,首先斷開裝置內無源組件,設置裝置為無功功率補償模式,調節無功負載,使其從0到有源組件額定容量的90%,然后從補償對象開始突變到裝置輸出達到目標值的90%,用測試儀器分別記錄測量點1和測量點3的電壓和電流波形數據,并且據此分析該工況下裝置的響應時間。第7.9.3.2條動態響應時間于試驗同第7.9.3.1條的規定,僅要求裝置為正常的無功功率補償模式。性能試驗平臺示意圖如圖2所示。

圖2 性能試驗平臺示意圖

兩個標準對于該類裝置關鍵參數動態響應時間的試驗規定有明顯的不同,GB/T 15576—2020規定了整個裝置的動態響應時間試驗,且試驗方法中明確說明裝置補償的是引入感性負荷變化的情況。這是因為該類裝置僅能補償感性無功變化的情況,同時也是該類裝置的局限性所在。T/CPSS 1001—2019則對混合無功補償裝置的動態響應時間做出了兩方面說明,即單獨有源組件和完整裝置兩種情況的試驗方法進行規定;并且根據混合無功補償裝置對于感性無功或是容性無功均可補償的特點,試驗方法中并未規定裝置需要在感性無功負荷變化或是容性無功負荷變化的情況。

1.7.2 諧波抑制或諧波濾除率試驗

隨著電氣系統中電力電子化的加速,諧波出現在越來越多的應用場景中,這樣諧波抑制或諧波濾除就顯得尤為重要。GB/T 15576—2020中說明具備抑制諧波或濾波功能的裝置,根據用電場所的諧波參數,按照GB/T 14549—1993中公用電網諧波電壓限值及諧波電流允許值,滿足用戶的需求。對于具備抑制諧波功能的裝置,投入后系統諧波電流含量不應增加;具備濾波功能的裝置,投入后系統的電流諧波含量至少應減少到裝置投入前系統電流諧波含量的50%。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.5條中說明該項目為可選擇測試項目,僅針對具備諧波濾除功能的補償裝置。具備諧波濾除功能的補償裝置的濾除能力應達到中國電源學會團體標準T/CPSS 1002—2018《低壓有源電力濾波裝置》第5.4條性能要求的限值,即當負載電流畸變率≥20%時,總諧波補償率≥85%;當負載電流畸變率<20%時,補償之后電力畸變率應不大于5%。

1.7.3 三相不平衡補償試驗

T/CPSS 1001—2019中第7.9.6條中說明該項目為可選擇測試項目,僅針對具備三相不平衡補償功能的裝置。試驗時,在裝置補償范圍內調節不平衡負載,測量三相電流數據,驗證三相電流不平衡補償率應滿足中國電源學會團體標準T/CPSS 1001—2018《低壓配電網有源不平衡補償裝置》第5.4條性能要求的不小于90%。標準GB/T 15576—2020中未提及該測試項目。

1.7.4 損耗測試

T/CPSS 1001—2019中第7.9.7條規定,補償裝置設定為無功補償模式。試驗時,設定有功負載為固定值,調節無功負載使得補償裝置輸出額定容性無功,以此測量圖2中的測量點3無功功率數據;同時根據測量點1和測量點2的有功功率數據差值,計算補償裝置的有功損耗平均值;測得的補償裝置有功損耗值與額定補償容量的比值不應超過3%。GB/T 15576—2020中未提及該測試項目。

1.8 電磁兼容性測試

GB/T 15576—2020第9.12條和標準T/CPSS 1001—2019第7.17條都對裝置的電磁兼容性能做了要求。GB/T 15576—2020引用了國標GB 7251.1—2013/IEC 61439-1:2011《低壓成套開關設備和控制設備第1部分:總則》J.10.12的全部條目規定[4]。T/CPSS 1001—2019共計列出了5項電磁兼容性要求,主要為引用GB/T 17626系列和GB 17799.4的要求[5]。

1.9 環境溫度性能試驗

GB/T 15576—2020第9.20條和T/CPSS 1001—2019第7.18條都對裝置的環境溫度性能做了要求,且規定僅適用于戶外型裝置。GB/T 15576—2020要求裝置在高溫40 ℃±3 ℃和低溫-25 ℃±3 ℃環境下,均能正常工作。T/CPSS 1001—2019要求裝置在高溫(50±3)℃和低溫(-25±3) ℃環境下能夠正常運行,同時,第7.18.2條要求裝置具有耐濕熱性,當裝置不通電的情況下,存放于溫度(40±2) ℃、濕度為(93±3)%RH環境2 d,恢復至常態下,仍能正常運行。

2 結 語

GB/T 15576—2020主要針對的是由控制投切元件和電容器實現無功功率的補償裝置,T/CPSS 1001—2019主要針對SVG器和晶閘管投切電容器構成的裝置,能夠通過有源部件和無源部件的協同配合實現對無功功率的動態補償裝置?；趦煽钛b置的差異,在適用場景、功能和性能技術要求等方面而有相應的差別,繼而延伸到各技術參數的測試方法有所差別。歸根結底,T/CPSS 1001—2019規定的技術內容相較于GB/T 15576—2020的內容,多出了電力電子裝置的智能保護、快速響應、靈活控制和高效補償性能等。因此,TSC的低壓無功補償裝置可主要依據GB/T 15576—2020進行檢測。針對低壓混合式動態無功補償裝置可以參考標準T/CPSS 1001—2019進行檢測。

此外,GB/T 15576—2020作為推薦性國家標準,對于成套無功功率補償裝置針對基礎安全性,提出多個具體的技術要求。如對保護導體、電器元件和附件、內部電路、絕緣導線,以及外接導線端子等都一一做了詳盡的要求。而T/CPSS 1001—2019作為電能質量領域的團體標準,主要針對將成為發展趨勢的電力電子化的無功補償裝置的性能參數、功能特點等給出了較多的技術要求,如無功功率補償、功率因數補償和電壓控制。穩態控制精度、動態響應時間、三相不平衡補償,以及主動式保護功能等。