低壓補償柜標準及試驗分析

王滿軍

（甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018）

低壓補償柜標準及試驗分析

王滿軍

（甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018）

在電氣系統(tǒng)中，無功功率補償裝置廣泛應(yīng)用于補償系統(tǒng)的無功功率、降低網(wǎng)絡(luò)損耗、改善功率因數(shù)和電能質(zhì)量等，基于低壓成套無功功率補償裝置的國家標準與439系列標準的緊密聯(lián)系，IEC 61439－1 Edition 2.0版本的國產(chǎn)化，給出了GB／T 15576－2008中將會受到影響的試驗項目。通過實際檢測經(jīng)驗對15576中溫升、涌流、諧波試驗進行了分析并對部分有待完善的條款進行討論。

無功補償；低壓成套；標準；試驗

1 引言

電力系統(tǒng)中為了降低線路損耗、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量，通常在用戶端或變電所進行無功功率補償。低壓成套無功功率補償裝置（下簡稱補償裝置）簡單經(jīng)濟、易于控制，是無功功率補償最常用的方法。

補償裝置是低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的特殊類別，它既有成套設(shè)備的一般特性，同時又有電容器、電抗器、控制器等元件的特殊要求，IEC 61439系列是有關(guān)低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的標準，闡明了低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的使用條件、結(jié)構(gòu)要求、技術(shù)性能和試驗，考慮到GB／T 15576－2008［1］（下簡稱15576）與IEC 60439－1：1999［2］（下簡稱IEC60439－1）的關(guān)聯(lián)性，隨著IEC61439－1 Edition 2.0［3］（下簡稱IEC 61439－1）的國產(chǎn)化，低壓補償裝置的標準會做出相應(yīng)調(diào)整。本文通過IEC 61439－1（IEC 61439－1有三種驗證方式，本文僅討論試驗驗證verification test）與IEC 60439－1的差異給出了涉及補償裝置新增及變動的試驗項目。隨著對電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的提高，抑制涌流與諧波在補償裝置中有了更高要求。本文結(jié)合標準與實際試驗分析了電抗器對補償支路電氣參量的影響以及對涌流、諧波、溫升試驗的影響，并對15576中部分有待完善電氣性能試驗條款進行分析，由于IEC 61439不涉及15576中電氣性能試驗部分所以439系列標準換版對此部分沒有影響。希望得出的結(jié)論對生產(chǎn)企業(yè)制定技術(shù)條件、產(chǎn)品設(shè)計以及標準開發(fā)有所幫助。

2 15576有變化的試驗項目

2.1 IEC 61439－1 新增的試驗項目

2.1.1 材料與部件的強度

IEC 61439－1對空殼體的要求與試驗和IEC 62208 ／GB ／T 20641［4］基本等同。IEC 61439－1 增加了針對殼體的耐腐蝕、絕緣材料耐熱性、灼熱絲、耐老化、提升、機械沖擊、標志試驗等試驗。

15576中所涉及殼體試驗的部分為7.17基本環(huán)境試驗，包含環(huán)境溫度、耐老化、耐腐蝕三項試驗。IEC 61439－1中耐腐蝕與耐老化試驗與15576中的相同點在于試驗方法基本相同，需要注意的是IEC 61439－1耐腐蝕性試驗嚴酷等級B與15576中對應(yīng)的試驗細節(jié)不同，一為兩個12天合計24天的存儲；另一為12天和14天合計26天的存儲。此外，IEC 61439－1中的此兩項試驗并不僅限于戶外型設(shè)備，而15576中的殼體試驗僅考慮戶外型。

15576中7.17.1環(huán)境溫度性能試驗目的為考核含電子器件的補償裝置在規(guī)定的環(huán)境空氣溫度上限和下限情況下長期運行的可靠性。IEC 61439－1中不含此項試驗。

IEC 61439－1中的絕緣材料耐熱性、提升、機械沖擊、標志、灼熱絲幾項試驗為15576所不包含項目，這幾項試驗在此不詳述可參考文獻［4］。

2.1.2 沖擊耐受電壓

IEC 60439－1 中 7.1.2.3.4 和 8.2.2.1 給出了免除沖擊耐受電壓的條件而IEC 61439－1中對于沖擊耐受電壓試驗為強制性。有關(guān)試驗方法請參考文獻［1］。應(yīng)注意的是對抽出式補償裝置在IEC 61439－2中對抽出式部件隔離位置的試驗布置有特別要求。

2.2 有變化的試驗項目

2.2.1 工頻耐受電壓

IEC 61439－1與 IEC 60439－1關(guān)于同一額定絕緣電壓對應(yīng)的試驗電壓值有所變化。以補償裝置常見的額定絕緣電壓690V為例IEC 61439－1中試驗電壓為1890V而IEC 60439－1為2500V。

另外，對于試驗用變壓器的輸出短路電流也有變化：IEC 61439－1要求試驗用變壓器輸出端子短路時輸出電流至少200mA，而IEC 60439－1只要求交流電源有足夠功率維持試驗電流。

實際當中，用于投切電容器的復合開關(guān)或晶閘管開關(guān)主要由電力電子元件組成，其相相之間耐壓一般達不到主回路相應(yīng)的要求。此處的試驗布置宜在15576中有所描述。

2.2.2 防護等級

對于IPX1而言IEC 61439－1放寬了試驗條件，允許以移動滴水箱代替轉(zhuǎn)動試品。IEC 60439－1嚴格按IEC 60529／GB 4208的要求不允許移動滴水箱。

2.2.3 機械操作

IEC 61439－1對于機械操作的次數(shù)由IEC 60439－1的50次變?yōu)?00次。這對于補償裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更為嚴酷。

3 15576 部分試驗條款討論

3.1 諧波試驗

3.1.1 電抗器

電抗器對于涌流、溫升、諧波等試驗均有影響，首先進行討論。

圖1所示為補償裝置含電抗器支路單相示意圖。對于三相電路由于電源與負載的對稱性，單相分析的結(jié)果適用于三相。圖中開關(guān)S為補償支路保護器件和投切裝置的合并簡化，由于支路各個元件間連接線很短，故可認為支路的電阻為零。Xhl與Xhc為電抗器、電容器在h次諧波下的阻抗值，h＝1為基波條件，此時下標1省略且Xl?Xc。并定義電抗率 X%＝Xl／Xc。

圖1 補償裝置支路示意圖

串聯(lián)在補償裝置支路的電抗器的用途主要為抑制涌流與濾波。抑制涌流利用了電抗器電流不能突變的原理，一般工程中采用電抗率為0.1%－1%的電抗器。實際中有很多補償裝置不配有串聯(lián)電抗器，此時系統(tǒng)電抗和變壓器漏抗起到了抑制涌流作用。當補償裝置容量較大變壓器漏抗較小時僅由系統(tǒng)的電抗便不能滿足抑制涌流的要求，因此需要加裝電抗器。濾波的基本原理是使電抗器與電容對某次諧波呈現(xiàn)低阻抗即串聯(lián)諧振使得諧波電流被短路到本支路。此時電抗率的選擇要依據(jù)濾波次數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)而定。由于諧波無功功率尚未有定義，本文中無功功率僅指基波。

首先分析基波時的情況。

可見支路串聯(lián)電抗器后電容器端電壓和電流幅值與不串聯(lián)電抗器相比會隨電抗率增大而增大。對電容量不可調(diào)電容器而言其不變電氣參數(shù)為其電容量即C，在基頻下Xc恒定。電容器額定電壓Vcn，額定電流Icn，則額定容量額定電流運行容量一般情況下，制造商會選擇額定電壓大于補償裝置額定電壓的電容器已留有一定的裕度。但此時仍應(yīng)考慮當X%增大導致Vc＞Vcn時，過壓過流給電容器帶來的危險。另外當補償裝置分支不串聯(lián)電抗器即X%＝0，通常Qc小于Qcn說明支路不帶串聯(lián)電抗器補償裝置的電容器運行于其額定容量以下。

3.2 諧波試驗

3.2.1 LC 無源濾波基本原理

圖1中從電壓輸入端看支路在h次諧波下的阻抗值Zh＝h·Xl－Xc／h＝Xc（h·X%－1／h）。諧振點

當 h2＝1／X%或 h2接近于 1／X%支路對 h次諧波電流呈現(xiàn)低阻抗使得諧波電流不流入系統(tǒng)。

圖2 電氣系統(tǒng)諧波等效電路

圖2所示為電氣系統(tǒng)諧波等效電路，這里將諧波源簡化為電流源［5］。Xhs表示系統(tǒng)在h次諧波下的感抗，基頻下不能認為低壓系統(tǒng)的感抗遠遠大于電阻。但本段中系統(tǒng)感抗為基頻值經(jīng)h倍放大而電阻在任何次諧波下為常量，故省略電阻部分。經(jīng)計算可得：

對h次諧波：

當Xhl＞Xhc即補償支路對h次諧波呈感性。補償支路起分流作用流入系統(tǒng)諧波電流減小；

當Xhl＝Xhc補償支路對h次諧波短路，諧波電流完全流入補償支路；

當Xhl＜Xhc即補償支路對h次諧波呈容性。流入系統(tǒng)諧波情況隨（Xhl－Xhc）與Xhs關(guān)系的變化放大或縮小。不含電抗器電容器支路對諧波環(huán)境影響的分析方法及結(jié)論與上述類似有興趣的讀者可參考文獻［5、6］。

由以上分析可知，補償支路對h次諧波呈容性時有放大系統(tǒng)諧波的可能性；濾波的設(shè)計要綜合考慮系統(tǒng)與補償裝置的參數(shù)。本段的分析認為電容器與電抗器的物理參數(shù)不變，實際設(shè)計中要考慮這些參數(shù)受環(huán)境參數(shù)比如：溫度、濕度、大氣壓等的影響而變化。

3.2.2 15576 中諧波標準評述

15576中對于諧波方面的標準主要引用文獻［7］，并按總諧波電流濾除率來區(qū)分濾波及抑制諧波。

文獻［7］中對于每個電壓等級下各次諧波電流均有限值要求，但實際使用或試驗時由于系統(tǒng)短路阻抗及協(xié)議容量等參數(shù)難以確定故各次電流諧波限值難以確定。再者，文獻［7］中對于15576所適用的交流1000V及以下設(shè)備僅有3801985V／400V一檔電壓電流要求，而對于礦業(yè)常用的690V及筆者所接觸過的800V、1000V柜體無任何規(guī)定。這使得文獻［7］在部分試驗條件下判據(jù)失效，例如對于額定電壓690V帶濾波補償裝置的試驗而言諧波電壓的判據(jù)不存在。最后，按3.2.1分析可知補償設(shè)備支路對某一次諧波有抑制或濾除作用時，對另一次諧波有放大可能。舉例：實踐中某補償裝置的總諧波電流及5次諧波電流在設(shè)備投入后減小但7次諧波電流增大。補償裝置目的為改善電能質(zhì)量，這種部分諧波電流被放大的情況明顯違背了初衷。更為合理的判定方法應(yīng)該將各次與總諧波電流綜合考慮。

從3.2.1中分析可知，當一個補償裝置含有針對兩種及兩種以上諧波進行濾波的分支時，各個分支不同的投切順序是會對于系統(tǒng)諧波有不同影響的。建議制造商給出相應(yīng)的投切順序，以免引起諧波放大。

3.3 溫升試驗

15576中7.3規(guī)定溫升試驗電壓應(yīng)使電容器支路電流不小于其額定電流，由3.1.1中可得出，即溫升試驗分支電流大小可通過調(diào)節(jié)試驗電壓幅值進行改變。當補償裝置支路含電抗器時電壓升高幅度要低于不含電抗器的情況。須注意V的升高有可能導致電容器過壓運行。當補償裝置中有多種額定電壓不同的電容器時，由于各支路從同一母排取電單靠調(diào)節(jié)電壓幅值，因此很難達到標準中對電流的要求。例如：額定電壓380V的不含電抗器補償裝置分支含400V和450V兩種電容器。當調(diào)節(jié)試驗電壓為450V時可滿足標準中對試驗電流的要求，但此時部分電容已處于過壓狀態(tài)。

3.4 涌流試驗

補償裝置分支合閘并入系統(tǒng)瞬間，將會產(chǎn)生高頻、高幅值的合閘涌流。涌流過大會造成電容器損傷、保護裝置誤動，其電動力會造成設(shè)備結(jié)構(gòu)損傷，尤其對于頻繁投切使用裝置的場所涌流的控制尤為重要。

按照線性動態(tài)電路理論，圖1中開關(guān)閉合后涌流大小與電源電壓、電容與電感的參數(shù)、電容器投入前電壓有關(guān)。涌流大小及分析方法參見文獻［6、8］。可以得出這樣的結(jié)論，當在電源電壓瞬時值與幅值接近時投入產(chǎn)生涌流最大；補償支路的電抗器可以有效地減小涌流；由于電氣系統(tǒng)的三相對稱性，當三相同一時刻合閘三相電流不會同時達到最大或最小，可以通過分相延時投切使得每一路涌流達到最小。

15576中未明確規(guī)定涌流的試驗電壓，由于試驗電壓幅值對合閘后電壓電流的影響很大，所以試驗電壓的規(guī)定尤為重要。實際使用或試驗中，隨著補償裝置各個分支投入系統(tǒng)電壓得逐步升高，此時至少應(yīng)對所考察支路投入時電壓進行記錄以保證試驗的準確性；再者，涌流試驗目的是為了保護支路元件不受過流影響，考慮到電容的增壓作用所以標準規(guī)定對最后一路進行試驗。實際使用中由于系統(tǒng)電氣參量的瞬變性以及手動投切的隨機性每一條支路均有可能作為最后一路。所以標準宜將“最后一路”改為對參數(shù)不同支路分別進行試驗。按電路理論涌流與電容投入前殘壓有關(guān)，且多數(shù)投切開關(guān)對于連續(xù)兩次投切時間間隔也有定義故試驗時應(yīng)在電容器放電完畢后進行或在制造商規(guī)定時間間隔后進行。

3.5 其他

15576中試驗條款7.1.6要求對機電開關(guān)電容器投入時的端電壓進行測量，要求不大于電容器額定電壓10%；同時對裝置瞬態(tài)過電壓進行測量要求在額定電壓以下。

此兩點在標準中表達比較含糊。實際上瞬態(tài)過電壓的測量可以結(jié)合涌流試驗一并完成。而電容器再次投入殘壓需要標準進一步的說明，其中原文“一定的延時時間”應(yīng)給出具體的要求。

4 結(jié)束語

本文通過對照IEC 61439－1與IEC 60439－1進行比較，給出了IEC 61439－1國產(chǎn)化后補償裝置標準相應(yīng)有可能要增加和修改的地方，主要是增加了對殼體的試驗。分析了電抗器在補償裝置中的用途，支路串聯(lián)電抗器對補償裝置性能有提升但對電容器運行能力有所要求。根據(jù)試驗經(jīng)驗對諧波、涌流、溫升等試驗中有待完善的地方提出了一些建議。

［1］GB／T 15576－2008 低壓成套無功功率補償裝置［S］.北京：中國國家標準出版社，2009.

［2］GB 7251.1－2005／IEC 60439－1：1999 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分：型式試驗和部分型式試驗成套設(shè)備［S］.北京：中國國家標準出版社，2006.

［3］IEC 61439－1 Low－voltage switchgear and controlgear assemblies－Part 1：General rules［S］.Edition 2.0 2011－08.

［4］GB／T 20641－2006／IEC 62208：2002 低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備空殼體的一般要求［S］.北京：中國國家標準出版社，2007.

［5］王兆安，楊 君，劉進軍等.諧波抑制和無功功率補償（第2版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［6］電力行業(yè)電力電容器標準化技術(shù)委員會編著，并聯(lián)電容器裝置技術(shù)及應(yīng)用［M］.中國電力出版社，2011.

［7］GB／T 14549－1993：電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］.北京：中國標準出版社，1994.

［8］鄧雨榮.無功補償電容器合閘過電壓及涌流的仿真計算［J］.廣西電力，2006，（6）：6～9.

Analysis of the standards and the testing on low－voltage power compensation cabinets

WANG Man－jun
（Gansu Electric Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China）

The reactive power compensation cabinets are widely used in the electrical systems for compensating the reactive power，reducing the net loss，improving the power factor and power quality.The standards IEC 61439－1 Edition 2.0 Chinese version is going to be published.Considering the co－relationship between the national standards of the low－voltage reactive power compensation cabinets and the 439 series standards，the parts needed to be amended in the standards GB ／T 15576－2008 are discussed.The testing on temperature rise，transient inrush current and harmonic are analyzed according to the practical experience.Some standards that needed to be consolidated are also discussed.

reactive power compensation；low－voltage cabinets；standards；testing

TM933

A

王滿軍（1977－），男，本科，工程師，主要從事高低壓電器產(chǎn)品檢測、認證及產(chǎn)品標準的研究。

2017－05－01

1005—7277（2017）02—0054—05