低压电路中无功功率补偿柜的选型与应用

孙平辉

（镇江市产品质量监督检验中心 江苏省镇江市 212000）

低压无功功率补偿系统装置，对电压有着较强的灵敏性，如果操作不合理，会引发诸多问题，不仅会损坏电气元件，而且严重时会破坏整个配电系统，甚至是引发一些安全事故，表明应重视该装置应用的重要性和必要性[1]。通常情况下，低压无功补偿设置，在稳定和提升供电电压质量上发挥重要作用，再加上配电网面积和规模较大，面临的负荷情况繁琐复杂，为避免出现线路损失、能耗加大等情况，应重视无功功率补偿装置的选型与应用，这有着重要的现实意义。

1 无功功率补偿的种类

1.1 静态补偿

静态无功补充（SVC），主要是指电容器和电抗器两部分组成，其中，电抗器为晶闸管所调控，晶闸管有着较强的灵敏性，对信号反应十分灵敏，且通断次数不被传统机械寿命所制约[2-3]。如果电压不断变化，静态补偿器在符合动态无功功率补偿的基础上，还能满足分相补偿，尤其是对三相不平衡负荷适应能力较强，或是在冲击负荷下能够补偿谐波及无功功率。

1.2 动态补偿

动态补偿主要是指对补偿效果的评定，通常补偿是有分级的，如较为常见的电容设备，作为一种补偿装置，就是按组加以投切。动态补偿在特定条件下，能够将功率因数升至0.95，从专业的角度来讲，动态无功功率补偿装置运行过程中，出现的无功功率呈现出线性规律[4]。

2 无功功率补偿方式的选择

2.1 自动补偿

无功功率自动补偿控制器十分常见，属于一种专用控制器，该装置可以与多种静电容屏配套装置共同使用，此时多种静电容屏设施型号需要设定在400V以下。一般来说，自动补偿装置具有RS485通讯接口，在该接口的连接作用下，将电流、电压、有功及无功功率等及时传输到外部设备上。

2.2 分相补偿

分相补偿的设置，主要是在补偿装置中增加相应数目的单相电力电容器，在对三相电压电流检测的基础上，测算电容器的投切数量，以此实现补偿效果。为了实现多种补偿功效，可调控各相的无功电流。分相补偿装置被广泛用于办公楼、居民住宅区等，该装置以单相负荷为前提，对不平衡的无功电流进行补偿，但不适用于不平衡有功电流的情况。

2.3 混合补偿

混合补偿装置在单相及三相补偿机制上形成，在混合补偿情况下，绝大多数补偿为共补，其他剩余部分为分补，运行期间遵循低压侧和高压侧不同补偿方式，对无功功率参数加以调节，使信号形成源自于三相中的每一相，结合负载情况及功率因数，相互加以平衡或补齐，最后实施三相补偿操作。

3 低压电路中无功功率补偿柜选型设计

3.1 无功功率补偿柜设计的改进

在对电容器的选择上，应以城市100/n浪涌电流和电压高1个等级的电容为基本前提，如果将400V的电容以440V的电容取代，那么FRAKO电容相应的就需要承受210～310/n的浪涌电流。一旦电压等级较高，需要提升浪涌电流能力，该做法能够应对谐波情况，延长装置使用周期。在满足使用功能的基础上，为达到节能目的，可选取环保型的干式电容，控制能耗在0.2～W/Kvar，同时使用多种技术手段，如分段薄膜技术等，对于电容器有预充电电阻作用，为避免出现电容损害情况，可维持内置保险的情况下，将装置升级和改造成自愈式，特别要注意的是，不能选用油浸式电容，否则难以抵御火灾风险。

在对电容器的保护上，首先，应检查供电侧的用电质量，确保用电质量在可控范围内，如果超出V-THD＜3%和I-THD＜10%标准，应及时采取补偿措施，可采用具有解谐功能的补偿柜，或者是采用8%～10%的电抗器，该做法不仅能够避免系统电容出现共振现象，而且还在增加电容使用周期。其次，不能继续使用空气开关，而是要选用熔断器隔离开关来代替，为确保电容投切，还可以选用功能型的复合开关（可控硅与交流接触器相连接），防止出现接触器拉弧问题。再次，在对无功功率补偿装置的设计上，要留出35%～45%的余量，在可控范围内适当放大内部电缆，内部电缆应以A级阻燃电缆为基础，并具有高度的阻燃性质。最后，在构思和设计控制线路时，选用的控制器设备，需要以单片机为条件，根据负荷侧有功及无功情况，采集与收集数据，经分析计算后，发出相应工作指令，对备用电容器自动识别。

3.2 无功功率补偿柜柜体的选型设计

在对无功功率补偿柜柜体的选型设计上，应严格遵循无功功率补偿原则，即为全面规划、合理布局和分级补偿，既要促进配电网安全运行，又要符合分线、分站变电站，还要满足总无功需求。采用多种补偿方式时，应以降损和调压相结合，以降损为主、兼顾调压，确定低压集中补偿、电动机定补，合理设计无功功率补偿装置。对于电容器和电抗器的设置，两者要隔离开来，除了确保每个柜体之间留有一定距离，也要熔断器隔离电缆、母排等器件。与此同时，要合理使用强制通风系统，结合电容器经验法则，控制运行温度范围为40～45℃。

很多无功功率补偿装置需要较高通风条件，前后端需设置进风口，同时，要增加抽风扇形成风道，为避免风扇意外跌落，要加以稳固后，添加配套的恒温调节器、报警装置等，第一时间内检测出跳闸、风口堵塞等问题。当然，柜子选型设计时要遵循安全原则，规范操作电容器的装配，加用安全防护板，距离柜子顶部180～200mm，便于通风和散热。

3.3 设计要求

依据市面上流行的低压无功功率补偿装置来看，从功能特点和实际需求出发，在设计理念上，需要以下几点要求：

（1）控制器输出电流应明确编码内容；

（2）空气取样物理量计算上，基波功率因数是基本的投切根据；

（3）为达到无功功率补偿的高精准计算，需采用FFT(快速傅里叶变换)计算公式；

（4）形成混合补偿机制，以三相共补、单相分补为基本准则，控制静态和动态补偿；

（5）明确无功功率补偿装置需具备多种功能，如过电压、欠流、断相、温度保护等；

（6）具备基本的测量功能，采取Modbus通信协议；

（7）规范安装流程，进行导轨式安装，或是嵌入式安装；

（8）电磁兼容性上，应满足JB/T9663、GB/T17626.4-2008等标准，另整机应能满足GB/T15576-2020标准要求。

3.4 硬件设计

结合低压无功功率补偿装置，经多次实践论证后，以ARM为核心，该设备功能（ARC）框架。

3.4.1 电压和频率采样电路

该装置电压和频率采样详见图2，其中电压信号于电阻作用下，UAO途径CPU，RC出现滤波，进入到迟滞比较器，出现基波方波FRE（同频率），从而完成采样操作。关于频率采样，需要硬件和软件测频，软件测频精度低、计算量小，硬件测频既能减少CPU运算，又能降低泄露误差，控制基波误差在0.02%以下，提升精准性和满足电压采样。

3.4.2 通信电路

ARC借助于RS485通信接口，使用硬件系统调控电路，发挥通信功能。为降低单片机负荷力，需要将相关单参数及时传输到监控平台上，不仅实现对现场设备的实时观察，而且又便于485通信电路作为母机扩展使用，并有效保护PCB部件。

4 低压电路中无功功率补偿柜的应用

4.1 工作原理

4.1.1 监测终端工作原理

低压电路中无功功率补偿柜主要是由测量、显示、控制、接口和电源等组成。

测量部分包括精密小型互感器、前置信号处理电路等部分，能够及时获取相位、电流及电压等数据，显示屏为液晶模块；控制部分以多个单片微机为基础，含有多路A/D、时钟、外围芯片等；接口处多为RS-485（半双工）接口，可根据运行状态调整测量数据，对参数进行编程，设置时间标签；电源部分为体现节能原则，使用高频开关满足多种作业环境。

软件功能提供参数计算、测量数据计算等，因功能多样化、软件量复杂化，需要引进先进的编程技术，实现框架结构格式化、作业功能模块化，具有程序操作简易、处理时效快、流程简单明晰等优势。

4.1.2 电容投切方式

电容投切严格遵循“循环+灵活编码”原则，结合现行无功实际需求量，实现一次性精准投切。同时，需要确保补偿容量满足实际需求容量并与之有机融合，使两者处在动态持平点，补偿精度可高达0.95以上，从本质上防止了欠补现象。

4.2 功能特点

4.2.1 使用功能

低压无功功率补偿柜具有在使用功能上，具有保护、时钟、电压统计、监测功能、通讯、自动稳零、故障自诊断等。具体内容如下：

（1）保护：保护功能具体体现在掉电保护、过压保护、过流保护等。

（2）时钟：时钟功能作为时间坐标使用，用来统计运行量及异常事件。

（3）电压统计：电压直接影响到装置运行，需要从电压合格率、运行时间、电压范围等处着手。

（4）监测功能：装置除了测量10～15次谐波并实时显示出数据外，还具有记录分析仪、数据采集器、数显表等功能，在实际测量时需用到电流（I）、电能（WH、QH）、频率（F）、功率因数（COS￠）、谐波（%）等参数。

（5）通讯：装置与RS485（RS232）通讯口连接，经远程系统操作，呈现出外方式布局，依托于MODBUS通讯设备，创建适宜的电量管理方案。

（6）自动稳零：在装置时间和温度变化下，具备自动校准零点功能，经输入CJK2W，可选取测量系统，或是加以更改和设定PT、通讯等。

（7）故障自诊断：在设置抗电磁干扰基础上，将运行数据显示在液晶屏幕上，还可以在串行口输出，对可能出现的故障达到自动诊断的目的。

4.2.2 基本功能

低压无功功率补偿柜基本功能有数据采集、数据通讯、参数设置、无功补偿功能。具体内容如下：

（1）数据采集：经调节三相功率因数、三相电流、三相电压，明确有功及无功功率后，谐波测量次数不宜超出15次。

（2）数据通讯：经增加通讯设备后，便于实时监控设备运行状态，为满足多种作业需求，随时调整相应的电压、电流、频率等参数。

（3）参数设置：因电流/电压互感器随环境运行参数发生变化，需要合理控制电压范围，避免出现电压谐波异常现象，同时，还要相应调整电容元件，为防止电容投切超时或延时，应在报警装置中增设延时启动铃声装置。

（4）无功补偿：经对物理量加以取样后，根据无功需量规范投切电容操作，实现无投切振荡、无补偿呆区。

4.2.3 功能选择

城市配电网为促进正常运行，需要高度坚持无功功率补偿为主原则，为实现监测功能的多样性，用户在具体使用上，可引入配电+补偿+计量原则；对于农网的设置，为满足农户需求，需要结合场合，明确选用适宜的无功功率补偿装置。无功功率补偿配置实际应用过程中，需要遵循平衡原则、电力部门补偿与用户补偿相结合，同时，对于特殊线路的使用，要采取重点降损的措施。此外，低压无功功率补偿还应注意产品选型、功能选取、补偿容量、采样方式、无功倒送、三相不平衡、电容器保护、装置结构形式及通讯问题等，需根据实际用电负荷，优化无功功率补偿装置。

4.3 应用案例分析

某公司经采购低压无功功率补偿柜，投入使用后，据数据记录情况表明，该装置具有一定优势和价值，还实现了节能效果，与原有装置相比，配网容量可节约35%以上。同时，变压器能力得到提升，系统功率因数能有效补偿至0.95左右。结合长期运行状况来看，该装置安全性和稳定性更强，且节能效果尤为显著，值得进一步加强应用。

5 结束语

本文重在分析低压电路下无功功率补偿柜的选型及应用，经采取提高功率因数、控制电压、电流、频率等参数等有效做法，促进该装置的安全运行，实现节能降耗的目标。经升级后的无功功率补偿装置，具有温度保护、实时监测、报警等功能，适用于电力、煤矿、制造等大能耗行业领域。