低壓無功功率補償控制及元件的發展

賀元珍

（湖南開關廠長沙市410009）

從電力網無功功率消耗的基本狀況可知，各級網絡和輸配電設備都要消耗一定數量的無功功率，低壓配電網所占比重最大。低壓配電網運行著大量的感性無功負荷需要進行補償，為了提高供用電質量，降低線損與節能，以及充分利用設備的容量,在配電系統中安裝無功補償裝置提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量實現無功優化補償。

1 低壓無功補償的幾種方法

1.1 低壓無功補償設備的配置方法

（1）隨機補償。就是將低壓電容器組與電動機并接，通過控制、保護裝置與電機，同時投切。隨機補償適用于補償電動機的無功消耗，以補勵磁無功為主，此種方式可較好地限制用電單位無功負荷。

（2）隨器補償。是指將低壓電容器通過低壓保險接在配電變壓器二次側，以補償配電變壓器空載無功的補償方式。配電變壓器一般實行隨器補償，是將低壓補償電容器直接安裝在配電變壓器低壓側，與配電變壓器同投同切，用以補償配電變壓器自身勵磁無功功率損耗和感性用電設備的無功功率損耗。

（3）跟蹤補償。是指以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，將低壓電容器組補償在大用戶0.4 kV母線上的補償方式。適用于100 kVA以上的專用配變用戶，可以替代隨機、隨器兩種補償方式，補償效果好。

1.2 無功補償的效果

（1）提高功率因數和設備的利用率。

在電網運行中，大量非線性負載的運行，除要消耗有功功率外，還要消耗一定的無功功率。負荷電流在通過線路、變壓器時將會產生電能損耗。在受電端安裝無功補償裝置，可減少負荷的無功功率損耗，提高功率因數，提高電氣設備的有功出力。對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足負荷增長的需要，減少經濟投資。

（2）降低電網中的功率損耗和電能損失。

（3）改善電壓質量，可以充分利用電力系統中發、變電設備的容量。

在線路中電壓損失△U的計算公式：

由式（1）可見，當線路中的無功功率Q減少以后，電壓損失△U也就減少了。補償前后線路傳送的有功功率不變，P=IUcosφ，由于cosφ提高，補償后的電壓U2稍大于補償前電壓U1，為分析問題方便，可認為U2≈U1從而導出I1cosφ1=I2cosφ2。即I1/I2=cosφ2/cosφ1，這樣線損P減少的百分數為：

當功率因數從0.70～0.85提高到0.95時，由式（2）可求得有功損耗將降低20%～45%。三相異步電動機通過就地補償后，由于電流的下降，功率因數的提高，從而增加了變壓器的容量，計算公式：△S=P/cosφ1×[（cosφ2/cosφ1）-1]

2 傳統低壓無功補償設備的控制原理及故障原因分析

（1）無功控制通過控制器統一取樣，采集單一信號功率因數，采用三相電容器，三相共補，投切方式為循環投切。

傳統的低壓補償都是采用接線如圖1所示的三相共補方式，根據控制器統一取樣，各相投入相同的補償容量。這適用于三相負載基本平衡、各相負載的cosφ相近的網絡。這些裝置一般是將電容器分為若干組。根據控制物理量的變化，進行電容器的投切。但是，若無功負荷經常波動變化，而裝置又需要將cosφ控制在較高水平時，電容器的投切，往往就比較頻繁，從而可能給電容器造成危害，使其早期損壞。這種補償方式適用于負荷主要是三相負載（電動機）的場合，但如果當前的負載主要為居民用戶，大量的家用電器的使用，特別家用空調機、節能的日光燈等低功率因數的單相電器的使用，使三相耗電不平衡，造成三相所需的無功補償也不相同，采用這種補償方式會在不同程度上出現過補或欠補。

圖1 并聯電容器△接三相共補的接線

（2）電容器三相短路保護熔斷器應采用符合電容器保護特性的產品，并按規定電流比選擇。

電容器允許在1.3 In下長期工作，并允許電容值的容差為-5%～+10%。因此在運行中，有的電容器工作電流可達1.1×1.3=1.43額定電流。因而IEC549規定：斷路器額定電流和電容器額定電流之比值要大于1.43倍。GB/12747-1991《并聯電容器》標準規定為1.5～1.6倍，原水利電力部SDJ 25-85規定為1.5～2.0倍。而實際運行中選用的型號有些不符合特性要求，同時國產熔斷器開斷性能較差。我們發現在發生的熔斷器熔斷的事件中，該比值有的只有1.35～1.37，有些甚至更小。根據統計表明，國產熔斷器額定電流的偏差多數超過20%，考慮該因素，推薦電流比以1.7～1.8為宜。

（3）并聯電容器的投切開關采用交流接觸器其響應速度較慢，電容器投入時產生過電壓與過電流，頻繁投切，對電容器造成危害，縮短使用壽命，投入電容時產生倍數較高的涌流，容易在接觸器的觸點處產生火花，燒損觸頭。

20世紀70年代至今廣泛應用的PGJ、GCJ電容補償柜，都是采用交流接觸器作為并聯電容器的投切開關。電容器在正弦電壓下的投入會產生過電壓與過電流。為了控制電容器投入時不致產生危險的過電壓，一般要求電容器不能在已有充電電壓的情況下投入電網，根據低壓無功補償柜的接線設計，電容器兩端均并接了放電電阻或放電燈，用于電容器放電，以免危及電容器與其他電氣設備的安全。所以電容器投入時的初始條件Uc=0。通過對電路的微分分析：當電容器剛投入Ucmax可接近穩態時電壓Uc幅值的兩倍，電流i是在穩態分量上迭加一個甚大的暫態分量i″（0)，將使投入時的電流遠遠超過穩態時的數值，而引起電流沖擊。過電壓和沖擊電流將使電容器局部放電加劇致使容量下降，介質損耗tgδ增大及絕緣老化加速。電容器頻繁投切，損壞累積，最終使電容器早期損壞，縮短使用壽命。在國標GB/T1 2747-1991中要求：每年的操作不超過5 000次，而實際運行中頻繁投切，遠不止此數。同時投入電容時產生倍數較高的涌流，容易在接觸器的觸點處產生火花，燒損觸頭；切斷電容時，容易粘住觸頭，造成拉不開，燒損觸頭。必須通過采用適當的措施加以改善：①適當選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40 A的接觸器投切15 kvar的三相電容器（IC＝21.7 A）；②串入小電感及采用專用接觸器等，建議將沖擊電流的峰值限制在20 In以內，專用的接觸器型號有CJ20C、B25C～B75C、ABB的UA等系列。

（4）配電系統中的設備產生的諧波易致電容器爆炸。

由于變電所帶有整流設備以及可控硅、用電設備中的電弧爐，大型鋼鐵冶金企業的設備、居民用戶中的新型日光燈及照明設備等非線性用電設備，諧波電流大。當諧波電流進入電容器后，回路中電流急增，從而造成電容器過負荷，當其時間超過延遲時間，便會大量熔斷熔斷器，形成電容器連環性爆炸現象。某高校配電間使用的電容柜電容器連環性爆炸事例就是因為學校用電設備為大量功率因數低、產生大量諧波的日光燈累積所致。通過更換原柜內的熔斷器，正確選擇熔斷器與電容器額定電流比，更換性能好的串聯電抗器，取得較好的運行效果。

3 低壓無功補償的改進及智能無功補償控制元件的發展

3.1 低壓無功補償的技術改進和新技術發展

綜合傳統無功補償及控制裝置的缺點，低壓補償箱和補償柜的技術改進和新技術發展歸納起來主要有以下幾方面：

（1）由三相共補到分相補償、共補與分補相結合的方式，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）采用單一的無功功率補償控制器向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發展。

3.2 智能無功補償設備接線方式及控制元件的發展

（1）智能無功補償方式以三相共補與分相補償相結合。

根據配電網和用戶對用電的需求及投資經濟的要求，新的設備尤其是大量的電力電子、照明等家居設備，都是兩相供電，電網中三相不平衡的情況越來越多，三相共補同投同切已無法解決三相不平衡的問題，而全部采用單相補償則投資較大可以采用電容器Δ－Y接線，即三相共補與三相分補相結合的接線方案如圖2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，有的廠家對Y接的電容器組仍采用400 V的電容器。這樣做的目的是由于400 V的產品比較便宜，即使實際容量較銘牌值小，但由于工作場強低，壽命較長，且整個裝置只用1個規格的電容器，互換性強。。因此根據負載情況充分考慮經濟性的共分結合方式在新的經濟條件下日益廣泛應用。

圖2 并聯電容器△-Y三相共補分補相結合的接線

（2）電容器投切采用先進的復合開關。

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3（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。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。

圖3 復合開關電路的接線方式

一個晶閘管和一個二極管反并聯的接線方案如圖3（b）所示。與圖3（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，雙向晶閘管可以在半周波內完成，（即時間t≤10 ms）。如采用圖3（b）的方案，由于二級管的不可控性，通常其切除時間要在（0.5～1）Hz之間，即切除時間t≤20 ms。

等電壓投零電流切的新型無觸點開關電路的接線如圖3（c）所示，圖中KM為交流接觸器的觸點。其運行操作順序：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KM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KM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。

（3）提高自動控制器的技術性能和可靠性及采用配電綜合測控儀和無功補償自動控制器一體化設備。

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／T 597－1996《低壓無功補償器訂貨技術條件》，對控制器的基本功能提出了具體的要求。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，也是智能電網的要求。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。既具備配電變壓器運行參數的數據采集、顯示和記錄功能又具備無功補償的智能控制和保護等兩大功能。自動控制器采集三相電壓、電流信號，跟蹤系統中無功的變化，以無功功率為控制物理量，以用戶設定的功率因數為投切參考限量，依據模糊控制理論智能選擇電容器組合，智能投切是針對星—角結合情況。電容投切控制采用智能控制理論，自動及時地投切電容補償，補償無功功率容量。根據配電系統三相中每一相無功功率的大小智能選擇電容器組合，依據“取平補齊”的原則投入電網，實現電容器投切的智能控制，使補償精度高。配電綜合測控儀數據采集數據電壓、電流、功率因數、有功及無功功率、有功及無功電量、諧波電壓、諧波電流等參數，有數據儲存期。且具有RS232／485通訊接口，可采用現場或遠程采集的方式。