淺析無功功率補償器的改進

劉之勇

（民航中南地區空中交通管理局技保中心，廣東 廣州 510000）

電網中的電力負荷大部分屬于感性負荷，在運行過程中需要向這些感性負荷設備提供相應的無功功率。通過在電網中安裝并聯的電容器等無功補償設備后，可以提供感性負載所消耗的無功功率，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功功率補償。

一、背景分析

（一）補償方式

本次案例中采用的是低壓集中補償方式，該方式主要應用在變壓器低壓側，是國內較普遍采用的一種無功補償方式。其中補償裝置通常采用低壓并聯電容器柜，可根據用戶負荷水平的波動來投入適當數量的電容器，從而進行跟蹤補償。

（二）更換前補償柜狀態

本案例中由兩路高壓供電，經過兩個變壓器變壓后分別供電。在兩個變壓器后端設置了兩個低壓補償柜，每個補償柜主要由16組電容，16個繼電器和1個邏輯控制器組成。低壓補償柜投入使用后可提高功率因數，降低線損和變壓器的損耗，提高變壓器的供電能力。

二、更換前補償柜存在問題

（一）運行情況

該柜自啟用運行，由于年數較長，部分電容器已經衰減嚴重，甚至損壞，而部分繼電器觸點連接不緊密，運行的溫度較高，甚至有一個邏輯控制器已壞，不能自動投切。

（二）諧波檢測

圖1 供電系統概況及測試地點

利用儀表通過對B1 及B2變壓器下電能質量進行了檢測，并且檢測了現有純電容無功補償設備在投入和切除時的兩種工作狀態，對兩種情況進行了對比，數據表明，該系統的諧波含量主要是 3、5、7、11、13，而當現有純電容無功補償設備投入使用時，系統總的諧波畸變率從原始5%左右放大到16%，最高接近3倍，且11次和13次諧波放大嚴重，因為在這個階次發生了諧振現象，因此目前使用的純電容補償并不滿足在諧波環境下進行安全無功補償的目的。

三、諧波治理及無功補償方案

根據諧波檢測數據分析，測試點電能質量問題在設備原始功率因數較低，需要對其進行電容串電抗的安全補償裝置。因此做出建議諧波治理方案，鑒于測試時系統負載量不同，而且按照設備大容量啟動及無功功率補償等需要，濾波器選型需要留有一定裕量，提出以下技術方案：

無功補償優化綜合裝置采用安全補償裝置技術，綜合補償系統無功和諧波。可以用來校正功率因素和濾除電網諧波。

無功補償部分采用接觸器投切電容器組。裝置應采用同品牌高品質電容器、電抗器、接觸器、無功功率補償控制器用于提高功率因數。

確定補償方案主要考慮以下幾點：

（一）系統中，需要考慮諧波的影響。主導諧波為 3、5、7、11 次諧波。

設計：需要串聯 14%(抑制 3 次及以上)電抗器以避免電容器流入過多的諧波電流，同時避免電容器與系統發生并聯諧振。

（二）由于諧波的存在，若使用純電容補償，電容器將損壞。

設計：串聯電抗器進行安全補償，可以提高功率因數，避免諧振，降低諧波污染，可以更好的保護電容器不受損害，運行安全，被大量應用。

（三）電容器耐壓選擇。

設計：選擇的電容器應該在 1.1 倍額定電壓即 440V 電壓下長期穩定運行。且串聯電抗器后對電容器會產生局部升壓。故應根據公式

Uc=1.1Un/(1-P%)。若 P=14%則 Uc=512V 應選擇 525V 耐壓等級電容器。

（四）補償容量的設計

從經濟觀點看，低壓系統中采用自動安全補償，補償后功率因數控制在 0.95 以上，同時要考慮系統負荷的增長，和設備維護以及備品備件的統一。

四、改造工程

（一）設備改造

功率補償柜改造采用了KBR公司提供的改造方案，除電容器之外，加裝了電抗器，每一套功率補償柜配有一臺無功功率補償控制器，采用接觸器投切電容器組，用以實現功率因數的提高。

無功功率補償控制器：顯示和控制模塊，具有自動投切控制功能，以實現目標功率因數，同時還具有諧波檢測功能。

改裝后的兩套功率補償柜分別替換原有的純電容補償柜，柜內設有九路，每路由電容器串聯14%的節能型濾波電抗器，防止 3 次及 3 次以上諧波的放大。單路的容量為25Kvar和50Kvar，由無功功率補償控制器控制，實現自動投切。

（二）使用中存在的問題及改進措施

功率補償柜改造完成后，在使用中發現，處于工作狀態下，電容器表面溫度可達到40℃以上，電抗器表面溫度可達到80℃左右，而補償柜是一個密閉的柜體，柜內空氣不流動，更加使得柜內溫度的升高。當環境溫度較高時，會導致設備中元器件的溫度升高，可能會導致絕緣材料軟化、變形，從而導致設備的安全絕緣性能下降或失效，引發設備故障；高溫可能會引起鼓脹爆裂，影響設備運行安全，甚至可能導致消防問題；高溫同時還會減少設備的使用壽命。

針對溫度過高的問題，做出了以下幾點的改進措施。

1.耐高溫電纜

在實際使用中發現，電抗器在工作時，表面溫度可達到80℃左右，而電抗器使用的電纜為普通的電纜，電纜外皮使用的是聚氯乙烯（PVC）材料，聚氯乙烯（PVC）絕緣電纜長期耐溫僅為70℃，不能滿足功率補償柜內電抗器長期工作時的要求。所以，將普通電纜更換為耐高溫電纜，這種耐高溫電纜外皮采用的絕緣材料為：氟塑料絕緣，溫度范圍-60-260度；可有效解決電抗器運行時，連接電纜過熱的情況。

2.安裝散熱風扇

為緩解密閉機柜內環境溫度過高的問題，在機柜的門板上安裝了散熱風扇。根據空氣流通的方向，在機柜門上端和下端各安裝了一臺散熱風扇，下面一臺為進風，上面一臺為出風，增加了機柜內的空氣流動，起到了有效降低機柜內溫度過高的作用。

3.溫度智能多路巡檢儀

同時制作安裝了這套溫度檢測系統，該系統由溫度檢測探頭和主機組成，溫度檢測探頭接觸式安裝在每一個電容器和電感器上，采集溫度數據，傳輸至主機，主機實時監測溫度。并且主機對每一路監測的數據可獨立設置溫度上限，當溫度超出該上限時，主機會提示該溫度超限告警。

圖2 溫度智能巡檢儀

五、改造后結果分析

通過對配電系統進行電能質量改造，加裝了KBR電抗率為14%的節能型濾波電抗器，防止3次及3次以上諧波的放大，并對改造前后，兩臺變壓器在加裝14%濾波電抗器后的KBR安全無功補償裝置，在投入和切除兩種狀態進行了電能質量的檢測，對兩種情況進行了對比，數據（見表1）表明，該系統的諧波含量主要是 3、5、7、11、13，串接14%的濾波電抗器的KBR安全補償元件投入使用后，將功率因數提高的同時也抑制了諧波的放大，并且吸收了一定的諧波，達到了一定的效果。

表1 改造前后數據對比表

六、總結

通過對無功功率補償的改造，提高了功率因數，由于功率因數的提高，增加了變壓器的使用裕度，同時諧波電 流的降低，減少了線路的功率損耗，提高配電系統的輸電效率，達到了節能的目的。