低压无功功率补偿控制及元件的发展

贺元珍

（湖南开关厂长沙市410009）

从电力网无功功率消耗的基本状况可知，各级网络和输配电设备都要消耗一定数量的无功功率，低压配电网所占比重最大。低压配电网运行着大量的感性无功负荷需要进行补偿，为了提高供用电质量，降低线损与节能，以及充分利用设备的容量,在配电系统中安装无功补偿装置提供必要的无功功率，以提高系统的功率因数，降低能耗，改善电网电压质量实现无功优化补偿。

1 低压无功补偿的几种方法

1.1 低压无功补偿设备的配置方法

（1）随机补偿。就是将低压电容器组与电动机并接，通过控制、保护装置与电机，同时投切。随机补偿适用于补偿电动机的无功消耗，以补励磁无功为主，此种方式可较好地限制用电单位无功负荷。

（2）随器补偿。是指将低压电容器通过低压保险接在配电变压器二次侧，以补偿配电变压器空载无功的补偿方式。配电变压器一般实行随器补偿，是将低压补偿电容器直接安装在配电变压器低压侧，与配电变压器同投同切，用以补偿配电变压器自身励磁无功功率损耗和感性用电设备的无功功率损耗。

（3）跟踪补偿。是指以无功补偿投切装置作为控制保护装置，将低压电容器组补偿在大用户0.4 kV母线上的补偿方式。适用于100 kVA以上的专用配变用户，可以替代随机、随器两种补偿方式，补偿效果好。

1.2 无功补偿的效果

（1）提高功率因数和设备的利用率。

在电网运行中，大量非线性负载的运行，除要消耗有功功率外，还要消耗一定的无功功率。负荷电流在通过线路、变压器时将会产生电能损耗。在受电端安装无功补偿装置，可减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，提高电气设备的有功出力。对于原有供电设备来讲，在同样有功功率下，因功率因数的提高，负荷电流减少，因此向负荷传送功率所经过的变压器、开关和导线等供配电设备都增加了功率储备，从而满足负荷增长的需要，减少经济投资。

（2）降低电网中的功率损耗和电能损失。

（3）改善电压质量，可以充分利用电力系统中发、变电设备的容量。

在线路中电压损失△U的计算公式：

由式（1）可见，当线路中的无功功率Q减少以后，电压损失△U也就减少了。补偿前后线路传送的有功功率不变，P=IUcosφ，由于cosφ提高，补偿后的电压U2稍大于补偿前电压U1，为分析问题方便，可认为U2≈U1从而导出I1cosφ1=I2cosφ2。即I1/I2=cosφ2/cosφ1，这样线损P减少的百分数为：

当功率因数从0.70～0.85提高到0.95时，由式（2）可求得有功损耗将降低20%～45%。三相异步电动机通过就地补偿后，由于电流的下降，功率因数的提高，从而增加了变压器的容量，计算公式：△S=P/cosφ1×[（cosφ2/cosφ1）-1]

2 传统低压无功补偿设备的控制原理及故障原因分析

（1）无功控制通过控制器统一取样，采集单一信号功率因数，采用三相电容器，三相共补，投切方式为循环投切。

传统的低压补偿都是采用接线如图1所示的三相共补方式，根据控制器统一取样，各相投入相同的补偿容量。这适用于三相负载基本平衡、各相负载的cosφ相近的网络。这些装置一般是将电容器分为若干组。根据控制物理量的变化，进行电容器的投切。但是，若无功负荷经常波动变化，而装置又需要将cosφ控制在较高水平时，电容器的投切，往往就比较频繁，从而可能给电容器造成危害，使其早期损坏。这种补偿方式适用于负荷主要是三相负载（电动机）的场合，但如果当前的负载主要为居民用户，大量的家用电器的使用，特别家用空调机、节能的日光灯等低功率因数的单相电器的使用，使三相耗电不平衡，造成三相所需的无功补偿也不相同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补。

图1 并联电容器△接三相共补的接线

（2）电容器三相短路保护熔断器应采用符合电容器保护特性的产品，并按规定电流比选择。

电容器允许在1.3 In下长期工作，并允许电容值的容差为-5%～+10%。因此在运行中，有的电容器工作电流可达1.1×1.3=1.43额定电流。因而IEC549规定：断路器额定电流和电容器额定电流之比值要大于1.43倍。GB/12747-1991《并联电容器》标准规定为1.5～1.6倍，原水利电力部SDJ 25-85规定为1.5～2.0倍。而实际运行中选用的型号有些不符合特性要求，同时国产熔断器开断性能较差。我们发现在发生的熔断器熔断的事件中，该比值有的只有1.35～1.37，有些甚至更小。根据统计表明，国产熔断器额定电流的偏差多数超过20%，考虑该因素，推荐电流比以1.7～1.8为宜。

（3）并联电容器的投切开关采用交流接触器其响应速度较慢，电容器投入时产生过电压与过电流，频繁投切，对电容器造成危害，缩短使用寿命，投入电容时产生倍数较高的涌流，容易在接触器的触点处产生火花，烧损触头。

20世纪70年代至今广泛应用的PGJ、GCJ电容补偿柜，都是采用交流接触器作为并联电容器的投切开关。电容器在正弦电压下的投入会产生过电压与过电流。为了控制电容器投入时不致产生危险的过电压，一般要求电容器不能在已有充电电压的情况下投入电网，根据低压无功补偿柜的接线设计，电容器两端均并接了放电电阻或放电灯，用于电容器放电，以免危及电容器与其他电气设备的安全。所以电容器投入时的初始条件Uc=0。通过对电路的微分分析：当电容器刚投入Ucmax可接近稳态时电压Uc幅值的两倍，电流i是在稳态分量上迭加一个甚大的暂态分量i″（0)，将使投入时的电流远远超过稳态时的数值，而引起电流冲击。过电压和冲击电流将使电容器局部放电加剧致使容量下降，介质损耗tgδ增大及绝缘老化加速。电容器频繁投切，损坏累积，最终使电容器早期损坏，缩短使用寿命。在国标GB/T1 2747-1991中要求：每年的操作不超过5 000次，而实际运行中频繁投切，远不止此数。同时投入电容时产生倍数较高的涌流，容易在接触器的触点处产生火花，烧损触头；切断电容时，容易粘住触头，造成拉不开，烧损触头。必须通过采用适当的措施加以改善：①适当选择额定容量较大的接触器，如用额定电流40 A的接触器投切15 kvar的三相电容器（IC＝21.7 A）；②串入小电感及采用专用接触器等，建议将冲击电流的峰值限制在20 In以内，专用的接触器型号有CJ20C、B25C～B75C、ABB的UA等系列。

（4）配电系统中的设备产生的谐波易致电容器爆炸。

由于变电所带有整流设备以及可控硅、用电设备中的电弧炉，大型钢铁冶金企业的设备、居民用户中的新型日光灯及照明设备等非线性用电设备，谐波电流大。当谐波电流进入电容器后，回路中电流急增，从而造成电容器过负荷，当其时间超过延迟时间，便会大量熔断熔断器，形成电容器连环性爆炸现象。某高校配电间使用的电容柜电容器连环性爆炸事例就是因为学校用电设备为大量功率因数低、产生大量谐波的日光灯累积所致。通过更换原柜内的熔断器，正确选择熔断器与电容器额定电流比，更换性能好的串联电抗器，取得较好的运行效果。

3 低压无功补偿的改进及智能无功补偿控制元件的发展

3.1 低压无功补偿的技术改进和新技术发展

综合传统无功补偿及控制装置的缺点，低压补偿箱和补偿柜的技术改进和新技术发展归纳起来主要有以下几方面：

（1）由三相共补到分相补偿、共补与分补相结合的方式，以求达到更理想的补偿效果。

（2）由单一的无功补偿到同时具有滤波及抑制谐波功能的补偿装置。

（3）从采用交流接触器进行投切，到选用晶闸管开关电路投切，以及发展为等电压投、零电流切的最佳投切模式。

（4）采用单一的无功功率补偿控制器向智能型自动补偿控制器和配电变压器的运行记录仪相结合发展。

3.2 智能无功补偿设备接线方式及控制元件的发展

（1）智能无功补偿方式以三相共补与分相补偿相结合。

根据配电网和用户对用电的需求及投资经济的要求，新的设备尤其是大量的电力电子、照明等家居设备，都是两相供电，电网中三相不平衡的情况越来越多，三相共补同投同切已无法解决三相不平衡的问题，而全部采用单相补偿则投资较大可以采用电容器Δ－Y接线，即三相共补与三相分补相结合的接线方案如图2所示。三相共补部分的电容器为Δ接线，三相分补部分的电容器为Y接线，有的厂家对Y接的电容器组仍采用400 V的电容器。这样做的目的是由于400 V的产品比较便宜，即使实际容量较铭牌值小，但由于工作场强低，寿命较长，且整个装置只用1个规格的电容器，互换性强。。因此根据负载情况充分考虑经济性的共分结合方式在新的经济条件下日益广泛应用。

图2 并联电容器△-Y三相共补分补相结合的接线

（2）电容器投切采用先进的复合开关。

采用双向晶闸管的无触点开关电路（又称固态继电器）取代交流接触器用于投切电容器的接线如图3（a）所示。其优点是过零触发，无拉弧，动作时间短，可大幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于繁投切的场合。但也存在以下缺点：①采用双向晶闸管制造成本高，晶闸管开关电路的补偿柜价格要比采用接触器的补偿柜贵70%～80%左右；②晶闸管开关电路运行时有较大的压降，运行中的电能损耗和发热问题不可忽视。如采用接触器则基本上不消耗有功；③晶闸管电路的本身也是谐波源，大量的应用对低压电网的波形不利。因此，除了对晶闸管开关电路加以改进外，还应使之在完成开合闸操作后退出，仍由与之并联的接触器维持电容器的正常运行。

图3 复合开关电路的接线方式

一个晶闸管和一个二极管反并联的接线方案如图3（b）所示。与图3（a）的接线方案对比，由于相同容量的二极管的价格低于晶闸管，故用一只晶闸管和一只二极管反并联的无触点开关电路制造成本较低，而技术性能相近，但反应时间则较慢些，切除电容器时，从切除指令的输出到工作任务的完成，双向晶闸管可以在半周波内完成，（即时间t≤10 ms）。如采用图3（b）的方案，由于二级管的不可控性，通常其切除时间要在（0.5～1）Hz之间，即切除时间t≤20 ms。

等电压投零电流切的新型无触点开关电路的接线如图3（c）所示，图中KM为交流接触器的触点。其运行操作顺序：当投入电容器时，先由微电脑控制器发出信号给开关电路，使之在等电压时投入电容器，微电脑的控制器紧接着又发信号给接触器，使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路，由于接触器KM闭合后的接触电阻远小于开关电路导通时的电阻，达到了节能和延长开关电路使用寿命的目的。当需要切除电容器时控制器先发信号给接触器，使接触器触点KM断开，此时开关电路处于导通状态，并由开关电路在电流过零时，将电容器切除。本方案的优点是：运行功耗低、涌流小、谐波影响小，制造成本低，开关电路和接触器的使用寿命长。

（3）提高自动控制器的技术性能和可靠性及采用配电综合测控仪和无功补偿自动控制器一体化设备。

为了提高自动控制器的技术性能和可靠性，电力行业标准DL／T 597－1996《低压无功补偿器订货技术条件》，对控制器的基本功能提出了具体的要求。无功补偿自动控制器和配电综合测控仪的一体化问题是城网改造提出的配电网自动化问题，也是智能电网的要求。运行单位往往要求在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿的低压电容器和配电综合测控仪。既具备配电变压器运行参数的数据采集、显示和记录功能又具备无功补偿的智能控制和保护等两大功能。自动控制器采集三相电压、电流信号，跟踪系统中无功的变化，以无功功率为控制物理量，以用户设定的功率因数为投切参考限量，依据模糊控制理论智能选择电容器组合，智能投切是针对星—角结合情况。电容投切控制采用智能控制理论，自动及时地投切电容补偿，补偿无功功率容量。根据配电系统三相中每一相无功功率的大小智能选择电容器组合，依据“取平补齐”的原则投入电网，实现电容器投切的智能控制，使补偿精度高。配电综合测控仪数据采集数据电压、电流、功率因数、有功及无功功率、有功及无功电量、谐波电压、谐波电流等参数，有数据储存期。且具有RS232／485通讯接口，可采用现场或远程采集的方式。