低压成套无功功率补偿装置标准及试验分析

，，，，

（1.天津电气传动设计研究所有限公司，天津 300180；2.苏州电器科学研究院股份有限公司，江苏苏州215104）

1 引言

电力系统中为了降低线路损耗、提高功率因数和电能质量，通常在用户端或变电所进行无功功率补偿。低压成套无功功率补偿装置（简称补偿装置）简单经济、易于控制是无功功率补偿最为常用的方法。

补偿装置是低压成套开关设备和控制设备的特殊类别。它既有成套设备的一般特性，同时又有电容器、电抗器、控制器等元件的特殊要求。IEC 61439系列是低压成套开关设备和控制设备的标准，阐明了其使用条件、结构要求、技术性能和试验。考虑到GB/T 15576—2008［1］（下简称 15576）与 IEC 60439—1：1999［2］（下简称IEC 60439—1）的关联性，随着 IEC 61439—1 Edition 2.0［3］（下简称 IEC 61439—1）的国产化，低压补偿装置的标准会做出相应调整。本文通过IEC 61439—1（IEC 61439—1有3种验证方式，本文仅讨论试验验证verification test。）与IEC 60439—1的差异给出了涉及补偿装置新增及变动的试验项目。随着对电网电能质量要求的提升，抑制涌流与谐波在补偿装置中有了更高要求。本文结合标准与实际试验分析了电抗器对补偿支路电气参量的影响以及对涌流、谐波、温升试验的影响，并对15576中部分有待完善电气性能试验条款进行分析，由于IEC 61439不涉及15576中电气性能试验部分，所以439系列标准换版对此部分没有影响。希望得出的结论对生产企业制定技术条件、产品设计以及标准开发有所帮助。

2 15576有变化的试验项目

2.1 IEC 61439—1新增的试验项目

2.1.1 材料与部件的强度

IEC 61439—1对空壳体的要求与试验和IEC 62208/GB/T 20641［4］基本等同。IEC 61439—1 增加了针对壳体的以下试验：耐腐蚀、绝缘材料耐热性、灼热丝、耐老化、提升、机械冲击、标志试验。

15576中所涉及壳体试验的部分为7.17基本环境试验，包含环境温度、耐老化、耐腐蚀3项试验。IEC 61439—1中耐腐蚀与耐老化试验与15576中的相同点在于试验方法基本相同，需要注意的是IEC 61439—1耐腐蚀性试验严酷等级B与15576中对应的试验细节不同：一为2个12合计24 d的存储；另一为12和14合计26 d的存储。不同之处为IEC 61439—1中的此两项试验并不仅限于户外型设备，而15576中的壳体试验仅考虑户外型。

15576中7.17.1环境温度性能试验目的为考核含电子器件的补偿装置在规定的环境空气温度上限和下限情况下长期运行的可靠性。IEC 61439—1中不含此项试验。

IEC 61439—1中的绝缘材料耐热性、提升、机械冲击、标志、灼热丝几项试验为15576所不包含项目，这几项试验在此不详述见文献［4］。

2.1.2 冲击耐受电压

IEC 60439—1中7.1.2.3.4和8.2.2.1给出了免除冲击耐受电压的条件，而IEC 61439—1中对于冲击耐受电压试验为强制性。有关试验方法见文献［1］。这里要注意的是对抽出式补偿装置在IEC 61439—2中对抽出式部件隔离位置的试验布置有特别要求。

2.2 有变化的试验项目

2.2.1 工频耐受电压

IEC 61439—1与IEC 60439—1关于同一额定绝缘电压对应的试验电压值有所变化。以补偿装置常见的额定绝缘电压690 V为例，IEC 61439—1中试验电压为1 890 V，而IEC 60439—1为2 500 V。

另外，对于试验用变压器的输出短路电流也有变化：IEC 61439—1要求试验用变压器输出端子短路时输出电流至少200 mA，而IEC 60439—1只要求交流电源有足够功率维持试验电流。

实际当中，用于投切电容器的复合开关或晶闸管开关主要由电力电子元件组成，其相相之间耐压一般达不到主回路相应的要求。此处的试验布置宜在15576中有所描述。

2.2.2 防护等级

对于IPX1而言IEC 61439—1放宽了试验条件，允许以移动滴水箱代替转动试品。IEC 60439—1严格按IEC 60529/GB 4208的要求不允许移动滴水箱。

2.2.3 机械操作

IEC 61439—1对于机械操作的次数由IEC 60439—1的50次变为200次。这对于补偿装置的结构设计要求更为严酷。

3 15576部分试验条款讨论

3.1 谐波试验

3.1.1 电抗器

电抗器对于涌流、温升、谐波等试验均有影响首先进行讨论。

图1为补偿装置含电抗器支路单相示意图。对于三相电路由于电源与负载的对称性单相分析结果适用于三相。图1中开关S为补偿支路保护器件和投切装置的合并简化，由于支路各个元件间连接线很短故可认为支路的电阻为零。XhL与XhC为电抗器、电容器在h次谐波下的阻抗值，h=1为基波条件，此时下标1省略且XL≪XC，并定义电抗率X%=XL/XC。

图1 补偿装置支路示意图Fig 1 Diagram of compensation assemblies′branch

串联在补偿装置支路的电抗器用途主要为抑制涌流与滤波。抑制涌流利用了电抗器电流不能突变的原理，一般工程中采用电抗率为0.1%～1%的电抗器。实际中有很多补偿装置不配有串联电抗器，此时系统电抗和变压器漏抗起到了抑制涌流作用。当补偿装置容量较大变压器漏抗较小时，仅由系统的电抗便不能满足抑制涌流的要求，从而需要加装电抗器。滤波的基本原理是使电抗器与电容对某次谐波呈现低阻抗，即串联谐振使得谐波电流被短路到本支路。此时电抗率的选择要依据滤波次数、系统参数而定。由于谐波无功功率尚未有定义。本文中无功功率仅指基波。

首先分析基波时的情况。

可见支路串联电抗器后电容器端电压和电流幅值与不串联电抗器相比会随电抗率增大而增大。对电容量不可调电容器而言其不变电气参数为其电容量即C，在基频下XC恒定。电容器额定电压VCn，额定电流ICn，则额定容量额定电流ICn=VCn/XC，运行容量一般情况下，制造商会选择额定电压大于补偿装置额定电压的电容器，以留有设计上一定的裕度。但此时仍应考虑当X%增大导致VC＞VCn时，过压过流给电容器带来的危险。另外当补偿装置分支不串联电抗器，即X%=0，QC一般小于QCn，说明支路不带串联电抗器补偿装置的电容器运行于其额定容量以下。

3.1.2 LC无源滤波基本原理

图1中从电压输入端看支路在h次谐波下的阻抗值Zh=h·XL-XC/h=XC（h·X%-1/h）。谐振点

当h2=1/X%或h2接近于1/X%支路对h次谐波电流呈现低阻抗，使得谐波电流不流入系统。

图2为电气系统谐波等效电路，这里将谐波源简化为电流源［5］。Xhs表示系统在h次谐波下的感抗，基频下低压系统感抗已不能认为远远大于电阻。但本段中系统感抗为基频值经h倍放大而电阻在任何次谐波下为常量，故省略电阻部分。经计算可得：

对h次谐波：当XhL＞XhC即补偿支路对h次谐波呈感性。补偿支路起分流作用流入系统谐波电流减小；当XhL=XhC补偿支路对h次谐波短路，谐波电流完全流入补偿支路；当XhL＜XhC即补偿支路对h次谐波呈容性。流入系统谐波情况随（XhL-XhC）与Xhs关系而变化放大或缩小。不含电抗器电容器支路对谐波环境影响的分析方法及结论与上述类似有兴趣的读者可见文献［5-6］。

图2 电气系统谐波等效电路Fig 2 The electric system harmonic equivalent circuit

由以上分析可知，补偿支路对h次谐波呈容性时有放大系统谐波的可能性；滤波的设计要综合考虑系统与补偿装置的参数。本段的分析认为电容器与电抗器的物理参数不变，实际设计中要考虑这些参数随环境参数比如：温度、湿度、大气压等的变化。

3.1.3 15576中谐波标准评述

15576中对于谐波方面的标准主要引用文献［7］，并按总谐波电流滤除率来区分滤波及抑制谐波。

文献［7］中对于每个电压等级下各次谐波电流均有限值要求，但实际使用或试验时由于系统短路阻抗及协议容量等参数难以确定，故各次电流谐波限值难以确定。文献［7］中对于15576所适用的交流1 000 V及以下设备仅有380/400 V一档电压电流要求，而对于矿业常用的690 V及作者所接触过的800 V，1 000 V柜体无任何规定。使得文献［7］在部分试验条件下判据失效，例如对于额定电压690 V带滤波补偿装置的试验而言谐波电压的判据不存在。由以上分析可知补偿设备支路对某一次谐波有抑制或滤除作用时，对另一次谐波有放大可能。举例：实践中某补偿装置的总谐波电流及5次谐波电流在设备投入后减小但7次谐波电流增大。补偿装置目的为改善电能质量，这种部分谐波电流被放大的情况明显违背了初衷。更为合理的判定方法应该将各次与总谐波电流综合考虑。

从以上分析可知，当一个补偿装置含有针对两种及两种以上谐波进行滤波的分支时，各个分支不同的投切顺序会对于系统谐波有不同影响。建议制造商给出相应的投切顺序，以免引起谐波放大。

3.2 温升试验

15576中7.3规定温升试验电压应使电容器支路电流不小于其额定电流，由3.1.1中可得出

即温升试验分支电流大小可通过调节试验电压幅值进行改变。当补偿装置支路含电抗器时电压升高幅度要低于不含电抗器的情况。须注意V的升高有可能导致电容器过压运行。当补偿装置中有多种额定电压不同的电容器时由于各支路从同一母排取电单靠调节电压幅值很难达到标准中对电流的要求。例如：额定电压380 V的不含电抗器补偿装置分支含400 V和450 V两种电容器。当调节试验电压为450 V时可满足标准中对试验电流的要求，但此时部分电容已处于过压状态。

3.3 涌流试验

补偿装置分支合闸并入系统瞬间，将会产生高频、高幅值的合闸涌流。涌流过大将会造成电容器损伤、保护装置误动，其电动力会造成设备结构损伤，尤其对于频繁投切的场所涌流的控制尤为重要。

按照线性动态电路理论，图1中开关闭合后涌流大小与电源电压、电容与电感的参数、电容器投入前电压有关。涌流大小及分析方法见文献［6，8］。可以得出，当在电源电压瞬时值与幅值接近时投入产生涌流最大；补偿支路的电抗器可以有效地减小涌流；由于电气系统三相对称性当三相同一时刻合闸，三相电流不会同时达到最大或最小，可以通过分相延时投切使得每一路涌流达到最小。

15576中未明确规定涌流的试验电压，由于试验电压幅值对合闸后电压电流的影响很大所以试验电压的规定尤为重要。实际使用或试验中随着补偿装置各个分支的投入系统电压逐步升高，此时至少应对所考察支路投入时电压进行记录以保证试验的准确性；再者，涌流试验目的是为了保护支路元件不受过流影响，考虑到电容的增压作用所以标准规定对最后一路进行试验。实际使用中由于系统电气参量的瞬变性以及手动投切的随机性每一条支路均有可能作为最后一路。所以标准宜将“最后一路”改为对参数不同支路分别进行试验。按电路理论涌流与电容投入前残压有关，且多数投切开关对于连续两次投切时间间隔也有定义，故试验时应在电容器放电完毕后进行或在制造商规定时间间隔后进行。

3.4 其他

15576中试验条款7.1.6要求对机电开关电容器投入时端电压进行测量，要求不大于电容器额定电压10%；同时对装置瞬态过电压进行测量，要求在额定电压以下。

此两点在标准中表达比较含混。实际上瞬态过电压的测量可以结合涌流试验一并完成。而电容器再次投入残压需要标准进一步的说明，其中原文“一定的延时时间”应给出具体的要求。

4 结论

本文通过对照IEC 61439—1与IEC 60439—1不同之处，给出了IEC 61439—1国产化后补偿装置标准相应有可能要增加和修改的地方。其中主要增加了对壳体的试验。分析了电抗器在补偿装置中的用途，支路串联电抗器对补偿装置性能有提升但对电容器运行能力有所要求。根据试验经验对谐波、涌流、温升等试验中有待完善的地方提出了一些建议。

［1］GB/T 15576—2008低压成套无功功率补偿装置［S］北京：中国国家标准出版社，2009.

［2］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］.北京：中国国家标准出版社，2006.

［3］IEC 61439—1 Low-voltage Switchgear and Controlgear Assemblies-part 1：General Rules［S］.Edition 2.0 2011—08.

［4］GB/T 20641—2006/IEC 62208：2002低压成套开关设备和控制设备空壳体的一般要求［S］.北京：中国国家标准出版社，2007.

［5］王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2002.

［6］电力行业电力电容器标准化技术委员会.并联电容器装置技术及应用［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［7］GB/T 14549—1993：电能质量 公用电网谐波［S］.北京：中国标准出版社，1994.

［8］邓雨荣.无功补偿电容器合闸过电压及涌流的仿真计算［J］.广西电力，2006（6）：6-9.