低压TSC无功补偿装置主控器件设计及选型原则

江苏省徐州技师学院　姚　霞

低压TSC无功补偿装置主控器件设计及选型原则

江苏省徐州技师学院姚霞

以低压电网TSC无功补偿装置的投切控制原理为依据，结合国家电网行业标准及无功补偿装置技术要求与设计规范，分析讨论TSC低压无功补偿装置中投切电容、投切开关以及串联电抗器等主控元件的选型原则及工作特点，为配网无功补偿设备的投切系统的可靠运行、管理与维护提供数据支持及技术保障。

低压配网无功补偿；投切电容；复合开关；串联电抗器

0　引言

广大居民用电处于低压电网的末端，低压无功补偿装置的合理投运，不但可以减少电能损失，缓解上一级电网补偿的压力，并进一步有效提升用户配电变压器的利用率，优化电压质量以及改善用户功率因数。现有的TSC无功补偿控制器以三相共补的方式进行无功补偿，主电路采用的是TSC三角形接线，将并联补偿电容器分成若干组，可选用由双向可控硅（TSC）与接触器（MSC）并联组成的复合开关，控制器根据系统电压和无功情况做出投切决策，并将投切指令传达给晶闸管触发电路，通过与机械开关联合动作，智能投切电容器组以完成系统对无功容量的补偿调节［1］。其三相结构原理如图1所示。

图1　复合开关投切电容接线形式

并联电容器装置的设计及主控设备元件的选型设置，应根据安装地点的电网条件、补偿要求、环境状况、运行检修要求和实践经验来确定［2］，具体补偿容量，接线方式、配套设备、保护和控制方式、布置及安装方式更要严格遵守《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》以及《城市配电网技术导则》。

1　电容器选型

依据GB/T12747.1规定，组成并联电容器装置的电容器选型原则如下［3］：

（1）标称电压1KV及以下交流电力系统采用自愈式并联电容器。（2）遵照下列要求选择电容器额定电压：

1）宜按电容器接入电网处的运行电压进行计算；

2）电容器应能承受1.1倍长期工频过电压；

3）电容器运行电压应计入串联电抗器引起的电容器运行电压升高，按下式计算：

（3）通常元器件及辅件的选择应满足1.43倍电容器额定电流条件下连续运行。

本装置中采用三相共补（△型接法）的补偿方式，电容器选用0.4kV三相自愈式并联电容器，实施动态补偿系统无功功率。以ABB公司的CLMD型三相自愈式并联电容器为例，该系列电容器的技术特点包括［4］：

（1）自愈技术—自行恢复因电容瞬时过压或过载引起的介质故障；

（2）压敏断路器技术—安全切除电路中的单相故障电容，同时保持良好的电绝缘性能；

（3）干式技术—杜绝补偿电容器的漏油问题。

2　串联电抗器选型

电容器组投入电网时的会有涌流出现，为确保电容器的正常运行，通常采用装设串联电抗器的方式来限制投切开关的合闸涌流限值。（装置选用复合开关投切并联电容器组时，其合闸涌流限值宜取电容器组额定电流的2～5倍）同时，由于不同频率的高次谐波存在于电网中，可能会出现总电流远远大于电容器的允许过电流值的情况，致使电容器因过热而损坏。通常情况下，系统中非线性负荷的容量达到或超过变压器容量的25%时，一般采用在补偿电容回路中加装串联电抗器方式来抑制谐波分量［5］。

理想的电抗器应是具有无噪音、无油、体积小、结构稳定、无漏磁、线性度好、耐候性强、过流能力强等特点。实际电抗器常见类型有：油浸式铁芯电抗器、干式铁芯电抗器、干式空芯电抗器、干式半芯电抗器、干式磁屏蔽电抗器等几种。串联电抗器的选取原则如下：

（1）依据串联电抗器接入处的电网电压要求选定其绝缘水平和额定电压等参数。

（2）串联电抗器与装置中的并联电容器组取相等的额定电流值，且其允许过电流应与低。

于并联电容器组的最大过电流值。

（3）串联电抗器的电抗率取值应遵照如下规定：

1）取0.1%-1.0%的电抗率值，仅作限制涌流使用。

2）结合并联电容器装置接入电网处的背景谐波含量测量值来选择电抗率，用于抑制谐波。

当谐波为3次及以上时，宜取电抗率为12.0%；当谐波为5次及以上时，宜取电抗率为4.5%～5.0%，也可选择12.0%和4.5%～5.0%两种电抗率混装的方式。

3）串联电抗器在抑制谐波时，需考虑补偿装置工作环境的无功变化范围不同来选择使用调谐电抗器或是非调谐电抗器，二者的性能比较如表1所示。

表1　调谐电抗器与非调谐电抗器比较

3　投切开关选型

由于投切开关选用由双相反并联晶闸管和交流接触器相并联的分立元件结构两种，因此要分别考虑二者各自的选型标准以及功能特点，单独进行选择。

3.1反并联晶闸管选型

依据DL/T842-2003《低压并联电容器装置实用技术条件》中对半导体开关的规定［6］：

（1）投切开关宜采用有选项功能和功耗较小的开关器件；

（2）半导体开关电器具备电流过零开断电容器组特性；

（3）承受1.2UN条件下的分断电压，无重击穿现象；

（4）以不小于2.5倍单组电容器额定电流值来确定反并联晶闸管的额定电流（有效值）。

反并联晶闸管投切过程应符合：

（1）采用半导体开关投切的装置，其动态响应时间应不大于1S；

（2）采用半导体开关投切电容器的涌流应限制在该组电容器额定电流的5倍以下。

目前，市面上可供选择的晶闸管开关种类繁多，作为交流无触点开关应用比较广泛的，大致有双向可控硅反并联模块结构和双向可控硅分立元件结构和两种形式。本装置中选用反并联模块做双向可控硅投切电容器的半导体开关。该元件具有以下一系列特点：

（1）国际标准封装，芯片与底板电气绝缘；

（2）全压接结构或氮气保护焊接结构，优良的温度特性和功率循环能力；

（3）安装简单，重量轻。

3.2交流接触器选型

依据IEC 60871-1/2标准和DL/842-2003《低压并联电容器装置实用技术条件》中对机械式开关的规定［7］：

（1）机械式开关的投切过程应符合：

1）结合设备装设点的电网条件来决定机械开关的短路强度和接通、分断能力等技术性能；

2）确保各组电容器端子间的电压在机械开关自动投入过程中，不高于额定电压的10%；

3）机械开关投切过程中，主触点无重击穿或者弹跳现象。

（2）机械式开关的运行过程应符合：

1）以不小于2.5倍电容器额定电流值来选取机械开关的额定电流（有效值）；

2）限制机械开关的投切涌流值，在该组电容器额定电流值的100倍范围内选取，其额定电流不低于电容器组额定电流的1.43倍。

4　结语

随着市电对低压电网电能质量的要求不断提高，搞好低压无功补偿成为稳定提高电网经济效益的关键。本文结合电网行业标准以及补偿设备设计规范与元件技术要求，科学严谨的选择TSC低压无功补偿设备的复合开关、串联电感、投切电容等主控元件的型号及技术参数，从而满足电力系统无功补偿电容器在“投入—运行—切除”全过程的功能需求，有效发挥配网低压无功控制器的应有功能和作用。

［1］豆书亮，孙科，殷莎，方云辉，张荣伟.用户变电站无功补偿配置方案研究［J］..电力电容器与无功补偿，2016（2）.

［2］GB50227-2008《并联电容器装置设计规范》.中华人民共和国国家标准.

［3］《国家电网公司电力系统无功补偿配置技术原则》.国家电网［2004］435号印发.

［4］魏玲艳，张德玲.自愈式低压并联电容器应用在滤波场合的问题［J］.电力电容器与无功补偿，2015（3）.

［5］GB/T 14549《电能质量——公用电网谐波》中华人民共和国国家标准.

［6］GB/T12747.1-2004《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、试验和定额—安全要求-安装和运行导则》.

［7］张绍通，杨伟杰，周志军，崔峻，赵新卫.复合开关在低压无功补偿装置中的应用分析［J］.电力电容器与无功补偿，2014（3）.

姚霞（1980—），女，硕士，讲师，主要研究方向：低压电网TSC无功补偿技术。