低壓無功補償裝置的器件分析和選型

1、摘 要：本文從實際應(yīng)用出發(fā)，針對低壓無功補償裝置的選型問題，對目前低壓無功補償裝置中所涉及的要點和器件（補償容量、控制器、投切裝置）進行了比較和分析。文中對新型的電容器投切裝置機電一體化復(fù)合開關(guān)進行了詳細介紹，提出了無功補償裝置中器件選擇的實用方法。 關(guān)鍵詞： 無功補償容量 無功補償控制器 機電一體化復(fù)合開關(guān) 前 言 現(xiàn)有供電設(shè)備雖經(jīng)多次改造，仍然難以滿足日益增長的電力負荷需求，目前全國各地已不同程度地出現(xiàn)了缺電和拉閘限電的現(xiàn)象。 解決電力供應(yīng)緊張的問題，除了加快電廠建設(shè)以外，采用合理的無功補償不失為一條有效的途徑。做好無功補償工作，不但可起到擴大現(xiàn)有輸變電設(shè)備供電能力、改善電能質(zhì)量、降低線路

2、損耗、緩解供電能力不足的作用，而且還能取得良好的經(jīng)濟效益，如延長供用電設(shè)備的使用壽命、降低用戶的電費支出等。 無功補償?shù)闹匾约捌浣鉀Q問題的現(xiàn)實性，目前已得到了業(yè)內(nèi)共識，各地也相繼安裝了許多不同形式的無功補償裝置，但從其使用的效果來看卻不盡相同。 特別是運行在0.4kV級的無功補償裝置，由于其補償點多，分布面廣，專業(yè)技術(shù)管理的力度相對薄弱，因此，在補償?shù)臏?zhǔn)確性、運行的安全性、動作的可靠性、設(shè)備的先進性、以及維護量的多少、使用壽命的長短等方面，存在著優(yōu)劣并存，良莠不齊的現(xiàn)狀。 例如：某單位的無功補償屏安裝后，一直不能正常使用，成為閑置設(shè)備；又如：某單位桿上變壓器的低壓補償電容器投入后，立刻引起線

3、路跳閘，只好將電容器拆除后才能正常供電，此類不良補償現(xiàn)象，在實際工作中時有發(fā)生，究其原因，主要是沒有根據(jù)具體的負荷性質(zhì)，恰當(dāng)?shù)剡x擇優(yōu)質(zhì)補償設(shè)備。 本文就低壓無功補償裝置的器件選型問題，提出一些淺見，以起到拋磚引玉的作用，并希望能為實際工作提供一點參考。 一、 補償電容器的容量及相關(guān)因素 補償電容量的正確選擇，是獲得良好補償效果的重要環(huán)節(jié)，具體選擇時，可考慮如下幾個因素： 1、 供電變壓器的空載無功補償 一般可選變壓器總?cè)萘?%的并聯(lián)電容器作為固定補償，以補償變壓器的空載無功損耗。 2、 確定多路補償?shù)娜萘刻荻?了解用電負荷的最大值、最小值、負荷的波動情況，根據(jù)具體情況以確定電容器的投切步長和分

4、組路數(shù)，做到對無功變化的精確跟蹤。 3、 平衡補償、分相補償、復(fù)合補償?shù)倪x擇 確定三相負荷的不平衡程度，必要時需進行現(xiàn)場測量，以確定采用三相平衡補償還是采用復(fù)合補償方式。當(dāng)三相嚴重不平衡時，最好選用適當(dāng)容量的分相補償。 來源:輸配電設(shè)備網(wǎng)4、 確定補償電容器的總?cè)萘?測量自然功率因數(shù)，確定目標(biāo)功率因數(shù)，根據(jù)兩者之差確定所需要的無功補償總?cè)萘俊?若已知：有功功率 P ，自然功率因數(shù) cos1 ，目標(biāo)功率因數(shù) cos2 。 則所需補償?shù)碾娙萜骺側(cè)萘繛椋?QP ( tan1 tan2 ) 5、 確定是否采用抗諧波無功補償電容器 當(dāng)電網(wǎng)諧波分量較大時，應(yīng)進行現(xiàn)場諧波測試，必要時需采用與電抗器配套設(shè)計的

5、專用電容器，以防止在較大諧波的作用下，補償裝置無法正常運行或電容器易損壞的現(xiàn)象發(fā)生。 二、 無功補償控制器的選擇 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了集成電路、CPU、DSP等技術(shù)構(gòu)成的、各具特色的無功補償控制器。隨著無功補償產(chǎn)品市場需求的逐步擴大，生產(chǎn)無功補償控制器的廠家越來越多，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品性能也千差萬別。因此，在控制器的選擇上要特別慎重，應(yīng)嚴格按照DL/T597低壓無功補償控制器訂貨技術(shù)條件、JB/T9663低壓無功功率自動補償控制器等專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項要求，依據(jù)具體的補償需求和負荷特性，選擇專業(yè)化廠家生產(chǎn)的合格控制器。一般情況下，可從以下幾個方面對控制器進行選擇： 1、 對于電網(wǎng)負荷波動

6、不大，且三相負荷基本平衡，僅以提高功率因數(shù)為目標(biāo)的情況，為了降低設(shè)備成本，可選用功能單一、操作簡便的簡易型無功補償控制器。其控制物理量可不做嚴格要求，可采用無功功率、無功電流或功率因數(shù)作為控制物理量，也可采用復(fù)合型控制物理量。投切方式可采用較簡單的循環(huán)投切模式。這樣即能達到較好的無功補償效果，又能降低設(shè)備的生產(chǎn)制造成本，同時設(shè)備操作簡單，便于維護。 2、 對于電網(wǎng)負荷波動頻繁、最大負荷與最小負荷間的差距較大，但三相負荷基本平衡的情況，宜選用性能較好的控制器。例如選用無功電流或無功功率作為控制物理量，且投入門限和切除門限應(yīng)能夠分別設(shè)定，以防止出現(xiàn)投切震蕩，同時還應(yīng)具有過壓和欠流等保護功能。投切方

7、式最好采用可進行程序控制的“編碼+循環(huán)”投切方式，以確?？刂破髂軌蚩焖贉?zhǔn)確地對無功功率的變化進行動態(tài)跟蹤補償。 3、 當(dāng)電網(wǎng)負荷波動頻繁，最大負荷與最小負荷差距較大，同時三相負荷嚴重不平衡時，對控制器的選擇就提出了更高的要求，應(yīng)具有“分相+平衡”復(fù)合投切功能。其控制物理量應(yīng)為復(fù)合型（無功功率+功率因數(shù)），其性能參數(shù)應(yīng)不低于以下要求： （1） 靈敏度100mA （2） 動作誤差不大于下表的規(guī)定： （3） 穩(wěn)定范圍：確?？刂破髟跐M足補償要求的前提下，確保穩(wěn)定工作，不出現(xiàn)投切震蕩。 4、 為了配合電網(wǎng)自動化的實施，在提高功率因數(shù)的同時，還要求能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的各項運行參數(shù)，在這種情況下，則需要選擇具

8、有綜合測試功能的無功補償控制器（配電綜合測控儀）。該控制器除應(yīng)具有前3項中提到的復(fù)合型控制物理量、復(fù)合投切功能、較高的靈敏度和穩(wěn)定度、較小的動作誤差、以及過壓、欠流等保護功能外，還應(yīng)具有電網(wǎng)參數(shù)實時在線測量、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、電報校時、停電數(shù)據(jù)保護、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)遠傳等功能。同時應(yīng)配套功能完善的支持性后臺軟件，以便對采集到的數(shù)據(jù)進行有效的分析和直觀的圖形顯示，并能輸出各類相關(guān)的報表。若數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無線通訊方式，還可以完全免掉通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資和人工抄表工作，節(jié)約大量的財力和人力。 5、 對于非線性負荷較多、電網(wǎng)諧波分量較大的情況，必須選用具有諧波測量和諧波超限保護功能的無功補償控制器，

9、并選配參數(shù)合理的抗諧波電抗器，構(gòu)成抗諧波無功補償控制裝置，以便在諧波較嚴重的工況下仍能可靠運行，達到滿意的補償效果。 三、 電容投切裝置的選擇 無功補償電容器的投切器件較多，其投切的平穩(wěn)度和使用壽命也相差很大，下面分別加以說明： 1、普通交流接觸器 由于電容器在投入和切除時會產(chǎn)生很大的涌流和過壓，暫態(tài)高壓和投切沖擊電流會導(dǎo)致電器絕緣擊穿和接觸器觸頭燒損，使接觸器頻繁損壞，同時還會影響電容器使用壽命和對電網(wǎng)造成干擾。 因此，普通交流接觸器投切電容器的控制方式目前已基本淘汰。 2、電容器投切專用接觸器 為了解決普通接觸器易燒損的問題，一些生產(chǎn)企業(yè)研制了帶有抑制涌流裝置的電容器投切專用接觸器。 采用

10、專用接觸器進行電容器投切的無功補償裝置，只適用于在負荷基本平穩(wěn)、且三相電壓基本平衡的理想工作環(huán)境下使用。 3、晶閘管電子開關(guān) 要提高無功補償裝置的使用壽命和投切穩(wěn)定性，必須徹底解決電容器投切時產(chǎn)生的涌流、過壓和分斷電弧過大等問題。 利用晶閘管實現(xiàn)電壓過零投入、電流過零切除、開關(guān)無觸點、反應(yīng)速度快等特性，可實現(xiàn)電容器的投入無涌流、切除無過壓、投切無電弧的快速動態(tài)補償功能，因而較好地解決了電容器投切時產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊現(xiàn)象。 目前，采用晶閘管投切電容器（TSC）的無功補償裝置已得到了較多的應(yīng)用。 但晶閘管元件最明顯的缺點是在導(dǎo)通狀態(tài)下有較大的管壓降，這不僅存在一定的功率損耗，還產(chǎn)生了很高的溫升，需要使

11、用軸流風(fēng)扇和體積較大的專用散熱器，來解決其通風(fēng)散熱問題，同時還需使用溫控開關(guān)來控制軸流風(fēng)扇的適時啟動。 由于軸流風(fēng)扇是具有機械旋轉(zhuǎn)運動的易損器件，存在著一定的不可靠性，風(fēng)扇一旦停止運轉(zhuǎn)，就會影響裝置的正常運行，因此降低了TSC無功補償裝置的可靠性。 由此可見，采用晶閘管作為電容器的投切裝置，雖然解決了電容器投切過程中的涌流、過壓、分斷電弧等問題，但其自身也存在著明顯不足，如散熱器體積大、冷卻風(fēng)扇易損壞、需外加溫控開關(guān)和觸發(fā)電路等輔助器件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。 來源: 由于0.4kV級的低壓無功補償裝置安裝地點分散、數(shù)量多、運行和維護的工作量大，因此，在無功補償裝置的選用中，晶閘管電容投切裝置所暴露的缺

12、陷已不容忽視。選用可靠性更高、使用壽命更長的免維護型電容器投切裝置，是達到良好補償效果、降低運行和維護費用、實現(xiàn)高效、節(jié)能、安全、經(jīng)濟運行的重要問題。 4、機電一體化復(fù)合開關(guān) 近年來，一些專業(yè)廠家研制了不同形式的機電一體化復(fù)合開關(guān)，作為電容器的投切裝置。其中有些機電開關(guān)已能達到良好的電容器投切效果，并取得了很好的運行經(jīng)驗。 因機電一體開關(guān)是一種新型的電容器投切裝置，下面將其工作原理、結(jié)構(gòu)特點和選用注意事項作一簡單介紹。 主接線和工作原理 機電一體化開關(guān)的基本構(gòu)成： CPU控制單元接收無功補償控制器發(fā)出的電容器投切信號，即“控制信號1”，并按預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出晶閘管和交流接觸器的通斷控制信號。

13、晶閘管電子開關(guān)它接收CPU控制單元發(fā)出的觸發(fā)信號，實現(xiàn)電容器的零電壓投入和零電流切除功能。 交流接觸器它接收CPU控制單元發(fā)出的分合指令，即“控制信號2”。交流接觸器只在穩(wěn)態(tài)時，起到無功補償電容器與電網(wǎng)之間的能量傳遞作用。 機電一體化開關(guān)的設(shè)計思想： 由上圖可見，機電一體化開關(guān)的通斷器件有兩種，即正反向并聯(lián)晶閘管和普通交流接觸器。 其設(shè)計思想是：將電容器投切和運行的不同特性，分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個過程，分別采用不同特性的器件進行控制，即： 利用晶閘管的易控和無觸點特性，使反向并聯(lián)晶閘管工作在電容器投切瞬間的暫態(tài)過程中，起到抑制涌流、過壓和拉弧現(xiàn)象，并能實現(xiàn)快速投切。 利用交流接觸器在可靠閉合時，其

14、主觸點接觸電阻小、導(dǎo)通容量大、壓降小、功耗小、工作安全可靠等特性，使其工作在電容器投入后和切除前的穩(wěn)態(tài)過程中，起到電容器向電網(wǎng)提供無功能量的主通道作用。 來源: 機電一體化開關(guān)的原理框圖： 實現(xiàn)上述設(shè)計思想的核心部件，是機電一體化控制單元，它由程序化控制電路、正反向并聯(lián)晶閘管和阻容能量吸收電路所組成。機電一體化控制單元的原理框圖如下： 當(dāng)無功補償控制器根據(jù)電網(wǎng)無功的增量，向機電一體化控制單元發(fā)出投入或切除電容器的控制信號時，該信號通過光電轉(zhuǎn)換后進入單片機，啟動相應(yīng)的時序控制程序，單片機按照規(guī)定的程序步驟，發(fā)出晶閘管通斷指令和接觸器通斷指令，該指令通過功率放大和光電隔離后，驅(qū)動晶閘管和交流接觸器

15、按預(yù)先設(shè)定的程序適時動作，確保安全可靠地對電容器進行投切操作。 機電一體化復(fù)合開關(guān)的動作時序： 對機電一體化復(fù)合開關(guān)動作時序的要求是： 投入時段首先使晶閘管電子開關(guān)在電壓過零時刻導(dǎo)通，將電容器平穩(wěn)可靠地接入電網(wǎng)，并維持導(dǎo)通狀態(tài)；接著使交流接觸器導(dǎo)通，使其處于同晶閘管并聯(lián)工作的狀態(tài)，并持續(xù)一段時間；最后，電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，將晶閘管斷開退出工作，使交流接觸器獨立承擔(dān)電容器與電網(wǎng)的連通作用。 切除時段首先使晶閘管電子開關(guān)導(dǎo)通，使其處于同交流接觸器并聯(lián)工作的狀態(tài)；接著使交流接觸器斷開退出工作，電容器與電網(wǎng)的連通作用短時內(nèi)由晶閘管獨立承擔(dān)；最后切除晶閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷。

16、機電一體化復(fù)合開關(guān)的動作時序圖如下所示： 由時序圖可見，無論交流接觸器的主觸點是在閉合時刻還是在開斷時刻，晶閘管電子開關(guān)都是處于可靠導(dǎo)通的狀態(tài)，因此，交流接觸器的主觸點上基本不會產(chǎn)生電弧，從而使接觸器的使用壽命得到了很大的提高，同時消除了電路的電弧干擾，使整個系統(tǒng)更加安全可靠。 開關(guān)的結(jié)構(gòu)、特點及選用注意事項 從機電一體化復(fù)合開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式來看，主要分為一體式和分體式兩種，下面分別作一簡單介紹。 一體式機電復(fù)合開關(guān) 一體式機電復(fù)合開關(guān)，是將CPU控制單元、晶閘管、交流接觸器、以及連接導(dǎo)線和安裝附件等，組裝在同一個外殼中，形成一個獨立的整體。 優(yōu)點：一體式機電復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、相應(yīng)的外

17、部接線少，因此，給安裝帶來了方便。 缺點：由于體積小，其開斷容量和通風(fēng)散熱均受到了限制，一般只能用于小容量的電容器投切。特別是有些一體式復(fù)合開關(guān)的外殼做成不可拆卸的形式，一旦開關(guān)中某個器件損壞時，只能整體更換，造成了一定的浪費。 分體式機電復(fù)合開關(guān) 分體式機電復(fù)合開關(guān)，是將CPU控制單元、晶閘管、阻容吸收電路等做成一個整體，構(gòu)成一個獨立的程序化控制單元，該單元不含交流接觸器，而是與交流接觸器配套使用。 請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 優(yōu)點：將暫態(tài)開關(guān)（晶閘管）與穩(wěn)態(tài)開關(guān)（交流接觸器）相互獨立，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；獨立的控制單元具有通用性，可根據(jù)補償電容器的實際容量，與不同容量的交流接觸

18、器配套使用。整個補償裝置運行可靠、配置靈活，器件損壞時互換性好。 缺點：由于控制單元與交流接觸器需分別安裝，所占空間較大。 機電一體化復(fù)合開關(guān)的選用注意事項 為了達到安全、可靠、長壽命的使用效果，在選用機電復(fù)合開關(guān)時應(yīng)注意以下內(nèi)容： 、查驗控制程序是否符合要求 不同的生產(chǎn)廠家，其控制程序也不盡相同，在選擇機電一體復(fù)合開關(guān)時，必須仔細鑒別控制程序是否合理，是否能夠確保過零投切，具體鑒別方法可通過查閱此復(fù)合開關(guān)的型式試驗波形圖進行驗證。 、選擇機電一體復(fù)合開關(guān)的控制相數(shù) 在進行三相平衡補償時，既可選用兩相控制模式的機電一體復(fù)合開關(guān)，也可選用三相全控模式的機電一體復(fù)合開關(guān)。一般在符合當(dāng)?shù)毓╇娨蟮那疤嵯?，選用兩相控制模式的機電一體復(fù)合開關(guān)，可降低設(shè)備的成本。 、機電一體復(fù)合開關(guān)中晶閘管的選擇 晶閘管的質(zhì)量直接關(guān)系到復(fù)合開關(guān)的使用壽命和可靠性，在滿足電流、耐壓等要求時，還應(yīng)選用知名廠家生產(chǎn)的反向并聯(lián)晶閘管模塊。 請登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 、一體式結(jié)構(gòu)機電一體化復(fù)合開關(guān)的選擇 在選用一體式結(jié)構(gòu)的機電一體化復(fù)合開關(guān)時，要對其內(nèi)部晶閘管和接觸器進行鑒別，防止因壓縮體積，而使晶閘管容量過小和用繼電器代替接觸器。因為繼電器屬于二次控制器件，其觸點的壓力、開距、超程、接觸電阻、滅弧功能等指標(biāo)，