低壓成套無功功率補償裝置國內外標準差異研究

摘 要：無功功率補償裝置是電力系統網絡中不可或缺的設備，對于提高電能質量、減少諧波污染具有重要作用。為了從標準層面提升無功功率補償裝置的質量，本文立足無功功率補償裝置的產品特點，對其涌流、動態響應、諧波抑制三個關鍵項目進行了國內外標準分析。通過標準分析，得出了現行檢測標準中存在的問題及不足，為開展低壓成套無功功率補償裝置產品的認證試驗提供重要技術參考。

關鍵詞：低壓成套無功功率補償裝置，涌流，動態響應，諧波抑制，標準分析

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.16.021

0 引 言

低壓成套無功功率補償裝置是由1個或多個低壓開關設備、低壓電容器裝置和與之相應的控制、測量、信號保護和調節等設備組成，并且由制造商完成所有的內部電氣和機械連接，用結構部件整合在一起的一種組合體[1]。無功功率補償裝置是電力系統網絡中不可或缺的關鍵設備，對于提高電能質量、減少諧波污染具有重要作用。

隨著近年來電力電子器件的廣泛應用，現在的工業負荷類別也較以前有很大不同。以軋鋼行業的軋機、汽車行業的點焊機和橡膠行業的密煉機等為代表的沖擊負荷應用逐漸增多，因此，需要動態補償裝置的應用場所也隨之越來越多。如果動態補償裝置的響應時間設計不合理就可能補償跟蹤不及時，從而造成過補或欠補及電壓的跌落；同時非線性負荷大量應用導致產生的諧波越來越豐富，急需進行諧波濾除，而無功補償裝置的諧波濾除或抑制支路設計不合理則會產生自身諧振或過流而損壞設備；補償裝置的投入涌流過大時會對系統產生沖擊，過大的涌流也會造成自身元器件（如電容器、電抗器、投切開關等）的損壞。因此，市場迫切需要一個完善的標準來規范低壓無功補償裝置行業的發展，尤其是在涌流、動態響應、諧波抑制能力測試方面。

1 國內外檢測標準分析

目前，國內低壓成套無功功率補償裝置檢測的主要依據是GB/T 15576—2020。GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》是低壓成套無功功率補償裝置的推薦性國家標準，該標準將低壓成套無功功率補償裝置作為成套設備，規定了相應的定義、術語、技術要求和試驗要求。國內研究主要集中在該標準與GB/T 7251.1[2]及其對應的國際標準IEC 61439-1[3]的對比和差異分析[4-6]。研究方向主要涉及材料和部件強度、工頻耐受電壓、溫升試驗等方面，并沒有突出無功功率補償裝置的產品特點，未能體現涌流、動態響應[7]和諧波抑制能力這3個關鍵指標。而國際上，目前尚未有與GB/ T15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》標準相對應的IEC國際標準。下面筆者根據低壓成套無功功率補償裝置的產品特性，針對浪涌電流、動態響應和諧波抑制能力這3個關鍵指標項目分別展開國內國外標準比對和分析。

1.1 涌流試驗國內外標準分析

GB/T 15576—2020標準中9.15.3規定：進行涌流試驗時，測試人員應檢測產品投入最后1組電容器時試驗回路中產生的涌流值。應首先將除最后1組電容器外其余電容器全部通以額定電壓，待系統穩定工作后再切入最后1組電容器，檢測此時電路中產生的涌流值。隨機投入電容器的試驗次數應不少于20次，若最高涌流值不超過標準8.6.3規定值，則判定試驗通過。

GB/T 15576—2020標準中8.6.3規定：應采取有效措施限制電容器投入瞬間所產生的較大涌流值，針對不同類型的投切開關有相應的限制要求。對采用復合開關或者半導體電子投切的電容器，其涌流值應限制在該組電容器的3倍額定電流值以內；對采用機電類開關投切的電容器，其涌流值應限制在該組電容器的50倍額定電流值以內。

JB/T 10695—2007[8]標準中7.7規定：進行涌流試驗時，僅需驗證最后1組電容器投入時試驗回路中的涌流值。首先，將除最后1組電容器外其余的電容器全部接入電路通以額定電壓，待裝置運行穩定后，再投入最后1組電容器，通過分流器和示波器檢測產生的浪涌電流，如果電容器投入瞬間產生的涌流值不超過該組電容器的3倍額定電流峰值，則判定試驗通過。

GB/T 22582—2023[9]/（IEC 61921：2017，MOD）標準中8.21規定：進行涌流試驗時，僅需驗證最后1組電容器組投入時電路中產生的浪涌電流，首先將其余電容器全部接入電路，待裝置穩定工作后再投入最后1組電容器。若能控制投切相角使涌流值最大，則僅需測試3次；若不能控制，則需進行30次測試。每相鄰2次測試的時間間隔應大于切除-投入的最小時間間隔。應采用示波器來測量每1次試驗中最后1組投入支路的涌流值。如果設備內各支路容量大小不同，應選擇容量最小的支路作為最后1組進行測試。

GB/T 12747.1—2017[10]/（IEC 60831-1：2014，IDT）中未涉及涌流試驗的相關內容。

由此可見，各標準中均未明確指定涌流試驗的測試條件。在大量的測試過程中研究人員發現，浪涌電流試驗中，測試電路的短路容量、電容器的殘余電壓等參數均會對浪涌電流值造成不同的影響，且標準中提到的峰值投入與投切的相位角度選擇有關。

目前，對于涌流的計算，在國際和國內仍是一個難點，國際國內主要常見的計算方法見表1[11]。

另外，研究團隊通過查閱資料發現，現行標準對電容器通電過程中和切斷電源后，均提出了剩余電壓的要求。

GB/T 15576—2020中8.7規定“補償裝置的放電設施應確保在電容器斷電后，其額定電壓從峰值放電至50 V的時間不超過3分鐘”；標準8.6.1規定“使用機電類開關投切電容器時，自動投入過程中，每組電容器的端子間電壓不得超過電容器額定電壓的1. 1倍”。

JB/T 10695—2007中6.11.8規定“補償裝置應配備放電設施，該放電設施應確保電容器斷電后，其額定電壓從峰值降至50 V的時間不超過1分鐘”；標準6.12.2規定“當裝置自動投切時，每組電容器的投入或切除，應設計一定的時間延時，用于確保電容器再次投切時，其端子間電壓不超出電容器額定電壓值的10%”。

G B / T 2 2 5 8 2 — 2 0 2 3 /（I E C 61 9 21 ： 2 017，MOD）中7.2.10.3提出“當任一電容器支路再次投入電路時，其線路端子的剩余電壓值不應超出電容器額定電壓的10%”；標準8 . 21中規定“每2次相鄰試驗的時間間隔應大于其切除-投入的最小時間間隔”。

GB/ T 12747.1—2017/（IEC 60831-1：2014，IDT）中22放電器件的安全要求規定“電容器單元和/或組應裝有使每一單元3分鐘內從初始峰值電壓放電至75 V或更低的放電器件”。

1.2 動態響應國內外標準分析

GB/T 15576—2020中9.17條規定：首先將補償裝置設定在自動補償狀態，施加額定電壓，并在試驗電路中投入大于預設值的感性負荷，通過分壓器監測感性負荷的電壓變化，并記錄該時刻為T 1，通過分流器監測電容器投入電流的變化，并記錄補償電容器輸出電流的變化時刻T 2，裝置的動態響應時間T=T 2-T1。進行3次試驗，取T 值最長時間作為裝置的動態響應時間（即電壓發生變化與電流發生變化的時間差）。

JB/T 10695—2007中7.13條規定：應首先將補償裝置設定在自動工作狀態，對裝置施以額定電壓，同時在其電流測量端接入與電壓有一定相角差的試驗電流，隨后突然增大電流，記錄此時刻為T1，并記錄電容器電流值發生變化的時刻T 2。據此可以得出裝置的動態跟蹤響應時間為T 2-T1。若滿足6.12.8規定（裝置的動態響應時間≤2 s），則此項試驗通過。

GB/T 22582—2023/（IEC61921：2017，MOD）中8.24規定：快速型裝置應進行此項測試。通過調節無功負荷（或模擬輸入無功負荷）使其信號達到設定值1，測量裝置接通第1個分組支路的時間：即裝置的補償響應時間；調節負荷信號達到設定值2，分斷該分組支路，與此同時調節負荷信號，使其達到原設定值1，并測量該分組支路由斷開至再次接通的時間間隔。

GB/ T 12747.1—2017/（IEC 60831-1：2014，IDT）中8.2.19規定：快速型裝置應進行此項測試。通過調節真實無功負荷（或模擬施加無功負荷）使信號達到預設值，測量補償裝置投入第1組電容器的時間；改變信號切除此電容器后再次將信號調至預設值，測量該電容器從切除到再次投入的時間（即切除-投入最小時間間隔）；裝置的補償響應時間即為上述兩個時間之和。

IEEE Std 1031TM -2011（Revision o f I EEE S td1031-2000）中指出，在系統擾動期間，如重大負荷和甩負荷下驗證動態性能；并要求在各種指定的系統條件下進行評估分析即超載、輕載、弱系統和強系統等。

1.3 諧波抑制或濾波功能國內外標準分析

補償裝置的抑制諧波或濾波功能主要是基于無源濾波。采用等效電路構成的匹配阻抗與電網阻抗并聯實現諧波分流。因此諧波的注入量，各奇、偶次諧波的占比分布，電網阻抗等因素對補償裝置的諧波抑制或濾波能力以及工作效率產生顯著影響。因此需要規范統一的試驗方案才能進行諧波抑制能力的測試，否則在不同情況下測試其諧波抑制能力將會明顯不同。

現行標準GB/T 15576—2020中并沒有明確的規定試驗方法和要求，僅規定了電網接入點的諧波允許值，因此無法對補償裝置的諧波抑制或濾波能力進行評價。

JB/T 10695—2007、GB/T 12747.1—2017/（IEC60831-1：2014，IDT）和GB/T 22582—2023/（IEC61921：2017，MOD）等標準則均未涉及諧波抑制或濾波功能的驗證內容。

2 不 足

通過以上分析研究，發現現有標準還存在如下不足：

（1）浪涌電流試驗中，測試回路的短路容量、線路阻抗、電容殘余電壓、試驗投切相位角、電抗率和電網電壓等參數均會對涌流大小產生影響，這些影響因素標準中均未考慮到。例如：試驗線路的短路容量反映了線路阻抗的大小，短路容量越大線路阻抗越小，對沒有串聯電抗器或串聯涌流電抗器的設備影響較大；補償電容器投切相位角不同，涌流也會不同，在投切開關端電壓最大時投入電容器，此時涌流最大；另外涌流值還與電抗器的電抗率和投入時電容器的殘余電壓相關，電抗率較大的電抗器在相同的投切角度下涌流會偏小，當投切角度在電壓正峰值同時電容器殘余電壓在電壓負峰值時投入電容器，將產生較大的涌流；投入時的母線電壓的大小也會影響涌流值的大小。

（2）標準規定的動態響應時間檢測方法存在一定的誤差，對于快速響應補償裝置的偏差較大。例如：對于動態無功補償裝置的研究需要全部投入的響應時間，而不應測試投入一個支路的時間，且還需測試切除后再次投入的響應時間，而現行標準對此沒有具體說明。現行測試方法采用的是投入感性負荷的方式，而投入感性負荷會引入暫態電流，導致出現測試誤差；標準中采用檢測感性負荷電壓的變化來記錄時間，也不適用于動態補償裝置的測試，因為負荷的電流滯后電壓90度（對于50 Hz即5 ms），補償裝置采集的是電流，對于50 Hz的系統必然會導致5 ms的測試誤差，這對于幾十毫秒的動態補償裝置來說，誤差就已經很顯著了。

（3）對于諧波抑制能力試驗，尚沒有明確的檢驗技術要求和檢測方法，諧波抑制能力大小及濾除的效果與試驗源的固有阻抗有很大關系，測試平臺不同會產生不同的測試數據；現行標準中提到通以適量諧波進行測試，但并沒有規定施加的諧波次數，若抑制或濾除5次諧波的裝置，施加2～4次諧波電流，將會存在諧波放大的可能；標準中濾波功能減少到規定值的50%，規定值含義不明確。

3 結 語

綜上所述，本文以檢驗檢測的角度，通過大量的試驗分析和驗證，對無功功率補償裝置的涌流、動態響應、諧波抑制三個關鍵項目進行了國內外標準分析。通過標準分析，得出現行檢測標準中存在的問題及不足，為下一步開展低壓成套無功功率補償裝置產品的認證試驗提供重要技術參考。

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作者簡介

劉亞，碩士研究生，高級工程師，研究方向為輸配電設備檢驗檢測。

（責任編輯：袁文靜）

基金項目：本文受山東省市場監督管理局科研項目“基于大規模充電基礎設施網絡的電動汽車充電過程實時故障識別與防控關鍵技術研究與應用示范 ”（項目編號：2023MR09）資助。