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低压无功补偿装置的器件分析和选型 低压无功补偿装置的器件分析和选型 天津电力公司西青供电分公司 郑琳 朱彬 【摘要 】本文论述了无功补偿电容器的容量选择和相关因素及无功补偿控制器和电容投切 装置的选择。 当前，各地都在进行供电设备改造，但随着国家经济的快速发展，用电需求的大幅度增 加， 电网仍然难以满足日益增长的电力负荷需求， 目前全国各地已不同程度地出现了缺电和 拉闸限电的现象。解决电力供应紧张的问题，除了加快电厂建设以外，采用合理的无功补偿 不失为一条有效的途径。做好无功补偿工作，不但可起到扩大现有输变电设备供电能力、改 善电能质量、降低线路损耗、缓解供电能力不足的作用，而且还能取得良好的经济效益，如 延长供用电设备的使用寿命、降低用户的电费支出等。 无功补偿的重要性及其解决问题的现实性， 目前已得到了业内共识， 各地也相继安装了 许多不同形式的无功补偿装置，但从其使用的效果来看却不尽相同。 特别是运行在 0.4级的无功补偿装置，由于其补偿点多，分布面广，专业技术管理 的力度相对薄弱，因此，在补偿的准确性、运行的安全性、动作的可靠性、设备的先进性、 以及维护量的多少、使用寿命的长短等方面，存在着优劣并存，良莠不齐的现状，就西青供 电分公司供电范围内用户功率因数合格率连续 3 年仅为 60%左右。功率因数上不去的原因 有很多， 但最主要的原因是不了解用户用电负荷状况造成设备选用不当和配置不合理。 有些 单位的无功补偿屏安装后，一直不能正常使用，成为闲置设备；又有些单位杆上变压器的低 压补偿电容器投入后，立刻引起线路跳闸，只好将电容器拆除后才能正常供电，还有一些由 于功率因数补不上去，造成拒交电费等结果。因此，根据具体的负荷性质，恰当地选择优质 补偿设备，对提高电网安全和经济运行具有十分重要的意义。 kV 本文就低压无功补偿装置的器件选型问题，提出一些浅见，以起到抛砖引玉的作 用，并希望能为实际工作提供一点参考。 一、补偿电容器的容量选择及相关因素补偿电容器的容量选择及相关因素 补偿电容器的正确选择，是获得良好补偿效果的重要环节，具体选择时，可考虑如下 几个因素： 1、 供电变压器的空载无功补偿 一般可选变压器总容量 3%的并联电容器作为固定补偿，以补偿变压器的空载 无功损耗。 2、 确定多路补偿的容量梯度 了解用电负荷的最大值、最小值、负荷的波动情况，根据具体情况以确定电 容器的投切步长和分组路数，做到对无功变化的精确跟踪。 3、 平衡补偿、分相补偿、复合补偿的选择 确定三相负荷的不平衡程度，必要时需进行现场测量，以确定采用三相平衡 补偿还是采用复合补偿方式。 当三相严重不平衡时， 最好选用适当容量的分相 1 补偿。 4、 确定补偿电容器的总容量 测量自然功率因数，确定目标功率因数，根据两者之差确定所需要的无功补 偿总容量。 若已知：有功功率 ，自然功率因数 P1COS ，目标功率因数 2COS 则所需补偿的电容器总容量为： )2tan1(tan=PQ 5、 确定是否采用抗谐波无功补偿电容器 当电网谐波分量较大时，应进行现场谐波测试，必要时需采用与电抗器配套设 计的专用电容器，以防止在较大谐波的作用下，补偿装置无法正常运行或电容 器易损坏的现象发生。 二、无功补偿控制器的选择 随着电子技术的发展，先后出现了集成电路、CPU、DSP 等技术构成的、各具特 色的无功补偿控制器。随着无功补偿产品市场需求的逐步扩大，生产无功补偿控制器 的厂家越来越多，产品质量和产品性能也千差万别。因此，在控制器的选择上要特别 慎重，应严格按照 DL/T597低压无功补偿控制器订货技术条件 、JB/T9663低压无 功功率自动补偿控制器等专业标准中规定的各项要求，依据具体的补偿需求和负荷 特性，选择专业化厂家生产的合格控制器。一般情况下，可从以下几个方面对控制器 进行选择： 1、 对于电网负荷波动不大，且三相负荷基本平衡，仅以提高功率因 数为目标的情况，为了降低设备成本，可选用功能单一、操作简 便的简易型无功补偿控制器。其控制物理量可不做严格要求，可 采用无功功率、无功电流或功率因数作为控制物理量，也可采用 复合型控制物理量。投切方式可采用较简单的循环投切模式。这 样即能达到较好的无功补偿效果， 又能降低设备的生产制造成本， 同时设备操作简单，便于维护。 2、 对于电网负荷波动频繁、最大负荷与最小负荷间的差距较大，但 三相负荷基本平衡的情况，宜选用性能较好的控制器。例如选用 无功电流或无功功率作为控制物理量，且投入门限和切除门限应 能够分别设定，以防止出现投切震荡，同时还应具有过压和欠流 等保护功能。投切方式最好采用可进行程序控制的“编码+循环” 投切方式，以确保控制器能够快速准确地对无功功率的变化进行 动态跟踪补偿。 3、 当电网负荷波动频繁，最大负荷与最小负荷差距较大，同时三相负荷严重不平 衡时，对控制器的选择就提出了更高的要求，应具有“分相+平衡”复合投切 功能。其控制物理量应为复合型（无功功率+功率因数） ，其性能参数应不低于 以下要求： （1） 灵敏度100 mA 2 （2） 动作误差不大于下表的规定： 取样物理量 允许误差 无功功率 20% 无功电流 20% 功率因数 2.5% （3） 稳定范围：确保控制器在满足补偿要求的前提下，确保稳定工 作，不出现投切震荡。 4、 为了配合电网自动化的实施，在提高功率因数的同时，还要求能 够实时监测电网的各项运行参数，在这种情况下，则需要选择具 有综合测试功能的无功补偿控制器 （配电综合测控仪） 。 该控制器 除应具有前 3 项中提到的复合型控制物理量、复合投切功能、较 高的灵敏度和稳定度、较小的动作误差、以及过压、欠流等保护 功能外，还应具有电网参数实时在线测量、数据存储、数据显示、 电报校时、停电数据保护、数据采集和数据远传等功能。同时应 配套功能完善的支持性后台软件，以便对采集到的数据进行有效 的分析和直观的图形显示，并能输出各类相关的报表。若数据传 输采用 GPRS 无线通讯方式，还可以完全免掉通讯网络建设投资 和人工抄表工作，节约大量的财力和人力。 5、 对于非线性负荷较多、电网谐波分量较大的情况，必须选用具有 谐波测量和谐波超限保护功能的无功补偿控制器，并选配参数合 理的抗谐波电抗器，构成抗谐波无功补偿控制装置，以便在谐波 较严重的工况下仍能可靠运行，达到满意的补偿效果。 三、电容投切装置的选择 无功补偿电容器的投切器件较多，其投切的平稳度和使用寿命也相差很大，下面分别 加以说明： 1、普通交流接触器 由于电容器在投入和切除时会产生很大的涌流和过压，暂态高压和投切冲击电流会导 致电器绝缘击穿和接触器触头烧损， 使接触器频繁损坏， 同时还会影响电容器使用寿命和对 电网造成干扰。 因此，普通交流接触器投切电容器的控制方式目前已基本淘汰。 2、电容器投切专用接触器 为了解决普通接触器易烧损的问题，一些生产企业研制了带有抑制涌流装置的电容器 投切专用接触器。 该接触器是在普通交流接触器的主触点上加装了一套限流阻抗，在电容器投切不频繁 时，起到了一定的作用。但其抑制电容器涌流的效果并不理想，当电流较大时，其限流阻抗 和主触点被烧毁的现象时有发生。特别在无功负荷波动大，电容器投切频繁的情况下，其实 际使用寿命一般仅在一年左右，就必须进行检修或更换。 采用专用接触器进行电容器投切的无功补偿装置，只适用于在负荷基本平稳、且三相 电压基本平衡的理想工作环境下使用。 3 3、晶闸管电子开关 要提高无功补偿装置的使用寿命和投切稳定性，必须彻底解决电容器投切时产生的涌 流、过压和分断电弧过大等问题。 利用晶闸管实现电压过零投入、电流过零切除、开关无触点、反应速度快等特性，可 实现电容器的投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能，因而较好地解决 了电容器投切时产生的暂态冲击现象。 目前，采用晶闸管投切电容器（TSC）的无功补偿装置已得到了较多的应用。 但晶闸管元件最明显的缺点是在导通状态下有较大的管压降， 这不仅存在一定的功率损 耗，还产生了很高的温升，需要使用轴流风扇和体积较大的专用散热器，来解决其通风散热 问题，同时还需使用温控开关来控制轴流风扇的适时启动。 由于轴流风扇是具有机械旋转运动的易损器件， 存在着一定的不可靠性， 风扇一旦停止 运转，就会影响装置的正常运行，因此降低了 TSC 无功补偿装置的可靠性。 由此可见，采用晶闸管作为电容器的投切装置，虽然解决了电容器投切过程中的涌流、 过压、分断电弧等问题，但其自身也存在着明显不足，如散热器体积大、冷却风扇易损坏、 需外加温控开关和触发电路等辅助器件、结构复杂等。 由于 0.4级的低压无功补偿装置安装地点分散、数量多、运行和维护的工作量大， 因此，在无功补偿装置的选用中，晶闸管电容投切装置所暴露的缺陷已不容忽视。选用可靠 性更高、使用寿命更长的免维护型电容器投切装置，是达到良好补偿效果、降低运行和维护 费用、实现高效、节能、安全、经济运行的重要问题。 kV 4、机电一体化复合开关 近年来， 一些专业厂家研制了不同形式的机电一体化复合开关， 作为电容器的投切装置。 其中有些机电开关已能达到良好的电容器投切效果，并取得了很好的运行经验。 因机电一体开关是一种新型的电容器投切装置， 下面将其工作原理、 结构特点和选用注 意事项作一简单介绍。 主接线和工作原理 4 无功补偿控制器 控制 信号 2 控制 信号 1 机电一体化开关的基本构成：机电一体化开关的基本构成： CPU 控制单元接收无功补偿控制器发出的电容器投切信号， 即 “控制信号 1” ， 并按预先设定的程序发出晶闸管和交流接触器的通断控制信号。 晶闸管电子开关它接收 CPU 控制单元发出的触发信号，实现电容器的零电 压投入和零电流切除功能。 交流接触器它接收 CPU 控制单元发出的分合指令，即“控制信号 2” 。交流接 触器只在稳态时，起到无功补偿电容器与电网之间的能量传递作用。 机电一体化开关的设计思想：机电一体化开关的设计思想： 由上图可见，机电一体化开关的通断器件有两种，即正反向并联晶闸管和普通交流接 触器。 其设计思想是：将电容器投切和运行的不同特性，分为暂态和稳态两个过程，分别采 用不同特性的器件进行控制，即：利用晶闸管的易控和无触点特性，使反向并联晶闸管工作 在电容器投切瞬间的暂态过程中，起到抑制涌流、过压和拉弧现象，并能实现快速投切。 利用交流接触器在可靠闭合时，其主触点接触电阻小、导通容量大、压降小、功耗小、 工作安全可靠等特性， 使其工作在电容器投入后和切除前的稳态过程中， 起到电容器向电网 提供无功能量的主通道作用。 机电一体化开关的原理框图：机电一体化开关的原理框图： 实现上述设计思想的核心部件，是机电一体化控制单元，它由程序化控制电路、正反 机电一体化控制单元 普通交流接触器 5 向并联晶闸管和阻容能量吸收电路所组成。机电一体化控制单元的原理框图如下： 接触器通断信号 晶闸管触发信号来自控制 器的电容 投切信号 光 耦 单片机 和 时序控制程序 功放 功放 光 耦 光 耦 功 放 继电器 接触器通断指令 晶闸管通断指令 当无功补偿控制器根据电网无功的增量，向机电一体化控制单元发出投入或切除电容 器的控制信号时，该信号通过光电转换后进入单片机，启动相应的时序控制程序，单片机按 照规定的程序步骤， 发出晶闸管通断指令和接触器通断指令， 该指令通过功率放大和光电隔 离后， 驱动晶闸管和交流接触器按预先设定的程序适时动作， 确保安全可靠地对电容器进行 投切操作。 机电一体化复合开关的动作时序：机电一体化复合开关的动作时序： 对机电一体化复合开关动作时序的要求是： 投入时段首先使晶闸管电子开关在电压过零时刻导通，将电容 器平稳可靠地接入电网，并维持导通状态；接着使交流接触器导 通，使其处于同晶闸管并联工作的状态，并持续一段时间；最后， 电路已处于稳定工作状态，将晶闸管断开退出工作，使交流接触 器独立承担电容器与电网的连通作用。 切除时段首先使晶闸管电子开关导通，使其处于同交流接触器 并联工作的状态；接着使交流接触器断开退出工作，电容器与电 网的连通作用短时内由晶闸管独立承担；最后切除晶闸管的触发 信号，使晶闸管在电流过零时自然关断。 机电一体化复合开关的动作时序图如下所示： 6 晶闸管触发信号 控制器投切指令 接触器通断信号 300ms 300ms 150ms 150ms 150ms 150ms t t t 投入电容器 切除电容器 由时序图可见， 无论交流接触器的主触点是在闭合时刻还是在开断时刻， 晶闸管电子开 关都是处于可靠导通的状态，因此，交流接触器的主触点上基本不会产生电弧，从而使接触 器的使用寿命得到了很大的提高，同时消除了电路的电弧干扰，使整个系统更加安全可靠。 开关的结构、特点及选用注意事项 从机电一体化复合开关的结构形式来看， 主要分为一体式和分体式两种， 下面分别作一 简单介绍。 一体式机电复合开关 一体式机电复合开关，是将 CPU 控制单元、晶闸管、交流接触器、以及连接导线和安 装附件等，组装在同一个外壳中，形成一个独立的整体。 优点：一体式机电复合开关结构紧凑、体积小巧、相应的外部接线少，因此，给安装 带来了方便。 缺点：由于体积小，其开断容量和通风散热均受到了限制，一般只能用于小容量的电容 器投切。 特别是有些一体式复合开关的外壳做成不可拆卸的形式， 一旦开关中某个器件 损坏时，只能整体更换，造成了一定的浪费。 分体式机电复合开关 7 分体式机电复合开关，是将 CPU 控制单元、晶闸管、阻容吸收电路等做成一个整体， 构成一个独立的程序化控制单元，该单元不含交流接触器，而是与交流接触器配套使 用。 优点：将暂态开关（晶闸管）与稳态开关（交流接触器）相互独立，提高了系统的抗 干扰能力；独立的控制单元具有通用性，可根据补偿电容器的实际容量，与不同容量 的交流接触器配套使用。整个补偿装置运行可靠、配置灵活，器件损坏时互换性好。 缺点：由于控制单元与交流接触器需分别安装，所占空间较大。 机电一体化复合开关的选用注意事项 为了达到安全、可靠、长寿命的使用效果，在选用机电复合开关时应注意以下内容： 、查验控制程序是否符合要求 不同的生产厂家，其控制程序也不尽相同，在选择机电一体复合开关时，必须仔细鉴 别控制程序是否合理， 是否能够确保过零投切， 具体鉴