低压成套无功功率补偿装置元件选型及适用性分析

王勇，彭胜吉

(1.中国质量认证中心沈阳分中心，辽宁 沈阳 110024;2.沈阳电气传动研究所(有限公司)，辽宁 沈阳 110141)

1 引言

在现代供电网络系统中，如何经济、效率的提高电能质量成为人们越来越关注的话题，其中最有效的方法之一即对感性负载的无功损耗进行无功功率补偿。

国家认监委2007年第9号公告:《强制性认证产品目录描述与界定表》，已将低压无功功率补偿装置明确列入CCC认证范围，认监委2007年第21号公告对低压无功功率补偿装置的各项要求进行了明确的规定，其执行标准为GB/T15576－1995;2009年1第19号公告的要求，将低压成套无功功率补偿装置强制性认证所适用的标准进行换版，新标准为GB/T15576－2008并于2009年4月1日起实施。虽然无功功率补偿装置的强制性认证至今已有4年之久，但现行标准中对无功功率补偿装置的要求还不是很完善，在无功功率补偿装置的使用过程中，经常会造成如频繁投切造成的投切开关损坏、电容器老化、断路器脱扣或熔断器熔断等问题;电容器容量选取不合理造成的过补、欠补等补偿达不到最佳效果的问题。

本文就以低压无功补偿装置元件选型及其适用性的问题，为生产企业进行产品认证和开发设计或使用企业进行日常维护提供一些参考建议。

2 无功功率补偿装置的构成

常见的无功功率补偿装置的构成如图1所示。

图1 无功补偿装置的构成

从图中我们可以看到，无功功率补偿装置主要由主进线部分、分回路保护部分、分回路投切部分、补偿部分四个主回路和一个起到大脑作用的无功补偿控制器部分组成，由于各个部分可选择的元件种类很多，由各种元件不同搭配组装而成的无功功率补偿装置虽然均能达到无功补偿的功能，但使用性能和补偿的质量却有很大的区别。

2.1 主进线部分

主进线部分包括主母线和主开关。主母线应考虑载流量和短路强度等在正常使用和发生短路时所涉及到的问题，主母线是母排形式的还应考虑绝缘支撑的强度以满足额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流的要求。

目前主开关主要有3类:隔离开关、隔离开关熔断器组以及塑壳式断路器。选用隔离开关做主开关时，无功功率补偿装置没有后备保护，根据供配电要求需要在装置以外提供后备保护，以免在整个补偿装置发生短路故障时影响到整个供电系统;选用隔离开关熔断器组做主开关时，无功功率补偿装置既能有效地隔离电源端，又有后备保护的功能，但这种开关对熔断器的要求较高，为确保保护系统的选择性，选择合适的熔断器需要在型式试验的短路强度试验中进行比较;选用塑壳式断路器组做主开关时，短路保护后不用更换元件，能够给整个装置提供比较方便的保护功能，但很多断路器没有隔离功能，功能完备的断路器价格比较昂贵。在CCC认证时，如果试验用样机选用隔离开关作为主开关进行型式试验，在安全件中则不允许覆盖其他类型开关，而选用隔离开关熔断器组或塑壳式断路器做主开关时可以相互覆盖。

2.2 分回路保护部分

分回路的保护主要有熔断器、断路器、熔断器串联过载继电器和断路器串联过载继电器四种方式。使用熔断器是最常见的分回路保护方式，其价格低廉，使用简便，有限流功能，选择合适的额定电流和分断能力和主开关组成较为完善的短路保护系统;断路器是近几年才应用到无功功率补偿装置中的，在实际应用当中以使用简单、安装容易、维护方便、体积小等优势逐渐取代熔断器，但是对断路器的选型却有一个很严重的问题，目前绝大部分无功功率补偿装置中作为分回路保护的断路器的执行标准为GB10963.1的家用及类似场所用过电流保护断路器，其短路分断能力、电气间隙和爬电距离等要求均不能满足GB/T15576的要求，在断路器的选用上，应充分考虑该断路器的性能参数是否满足无功功率补偿装置的标准要求，尤其重要的是短路保护的要求，同时断路器受投切开关涌流影响会频繁脱扣，所以在选取分回路保护元件时应谨慎选用断路器;过载继电器通常与机电式投切开关配合使用，起到过载保护的作用，较好的过载继电器同时还具有断相等保护功能。

为保证电容器可以在1.1倍额定电压下长期运行，在选择分回路保护元件额定电流时应满足1.3倍的电容器额定电流条件下连续运行，如考虑在实际工作中电容器最大点容量可达1.10CN，则择分回路保护元件额定电流时应满足1.43倍的电容器额定电流条件下连续运行。

2.3 分回路投切部分

投切开关主要有3类:机电开关(如接触器)、半导体电子开关(如晶闸管)和复合开关(机电开关和半导体电子开关并联的组合开关)，3类开关的结构、性能和特点在国内有很多文章进行过介绍，本文不再累述，这里只提一些配合方面的问题。接触器等在投入电容器会产生较大涌流的开关不适合用断路器做分回路保护，以防止断路器频繁性脱扣;用于快速补偿的场所优选半导体电子开关。其次复合开关，不能选用机电开关，同时应选用响应速度较快的控制器，目前国内很多企业生产的控制器和半导体电子开关配合使动态响应时间可以控制在20ms以内;选用半导体电子开关时，由于半导体电子开关在工作状态下的发热对元件的使用寿命和性能都有比较严重的影响，建议为半导体电子开关配备散热系统。

投切开关额定电流的选择同分回路保护开关。

2.4 补偿部分

补偿部分主要由电抗器和电容器构成。

电抗器具有抑制涌流和抑制一定频率谐波的功能，在选取电抗器时应考虑投切开关是否需用电抗器来抑制涌流，如选取半导体电子开关和复合开关做投切开关时则可不配置电抗器;在电力系统中无谐波源时也可不配置电抗器，如系统中有谐波源，应根据谐波源的具体情况选取电抗器的电抗率，电抗器用于抑制涌流和抑制谐波的电抗率是不同的，选用电抗器时应先明确用途并经过计算确定其电抗率后进行使用。

电容器是无功功率补偿的主体，选取电容器时应考虑无功功率补偿装置的工作电压与电容器额定电压和补偿容量与电容器额定容量在实际工作中不一致的问题，如式(1):

式中:Q为补偿容量;f为电源频率;CN为额定电容;U为投入电容后系统电压。

可以看出一个无功功率补偿装置中补偿容量仅与投入电容后的系统电压有关，而无功功率补偿装置的额定容量是在电容器额定电压下的容量，例一组型号为0.45－30－3的自愈式并联电容器在系统电压为0.45kV时，补偿容量为 30kvar，如系统电压为0.38kV，则补偿容量为21.4kvar。在计算无功功率补偿容量时应考虑系统需要无功功率补偿时稳定工作电压和最大工作电压投入数组电容器后的系统电压对应的补偿容量。

在设计无功功率补偿装置时可以选用不同容量的电容器和编码投切的控制方式以达到精确补偿和选用单相电容器以满足大量使用单相负荷场所的无功功率补偿需要。

为满足低压成套无功功率补偿装置CCC认证的要求，在选用电容器时应考虑放电性能，例满足标准GB/T12747.1－2004放电要求“每一组电容器单元和(或)组应备有使每一单元在3min内从UN的初始峰值电压放电到75V或更低的放电器件”的电容器不一定能够满足GB/T15576－2008“从额定电压峰值放电至50V的时间不大于3min”的放电要求。

2.5 无功补偿控制器

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。关于无功补偿控制器介绍的文献很多，本文不做详细介绍。在选用无功补偿控制器时应考虑控制器的性能是否满足无功功率补偿装置设计和标准的要求，如选用半导体电子开关和复合开关做投切开关，控制器应满足GB/T15576－2008动态响应时间的要求。

在申请CCC认证时，安全件中的无功补偿控制器应经过JB/T9663－1999自愿性认证。

3 结束语

对供配电网进行合理的无功功率补偿，既能得到很好的节能效益和电能质量，又可以减少电费支出获得较为可观的经济收益。目前国内的无功功率补偿装置在优化投切模式、安全性能、电磁兼容等方面还有很大的提升空间，在关注无功功率补偿装置的经济收益的同时，还应该逐步提高无功功率补偿装置的性能，使我国无功功率补偿领域持续保持生长力。

［1］ GB 7251.1－2005/IEC 60439－1;1999低压成套开关设备和控制设备第1部分:型式试验和部分型式试验成套设备［S］.

［2］ GB/T 15576－2008低压成套无功功率补偿装置［S］.

［3］ GB/T 12747.1－2004/IEC 60831－1:1996标称电压1kV及以下交流电力系统用自愈式并联电容器第1部分:总则－性能、试验和额定－安全要求－安装和运行导则［S］.