GB/T 15576—2020《低压成套无功功率补偿装置》与T/CPSS 1001—2019《低压混合式动态无功补偿装置》标准差异分析与研究

刘 朋

0 引 言

伴随科技发展,无功补偿装置经历了从简单到复杂的“演变”过程,其主要方式有并联电容法和电力电子补偿法。并联电容器是我国应用较多的一种无功补偿方法,按照电容投切方式可分为晶闸管投切电容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC) 、机械式投切电容器(Mechanically Switched Capacitor,MSC),但是单纯并联电容器方式的装置不能吸收无功功率,投入和切除较慢,且补偿的无功均为固定容量,无法动态补偿,容易造成过补或欠补的情况。静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)是如今较为先进的补偿技术,具有响应速度快、运行范围宽、产生谐波少等优点,但由于电力电子器件的开关频率和经济条件的约束,其补偿容量往往不能直接满足需求。

低压混合式动态无功补偿装置由SVG和晶闸管投切电容器构成,根据硬件和控制策略的调整,可实现TSC三相共补和三相分补,配合SVG同时使用,从而可实现三相不平衡无功的动态补偿。该类无功补偿装置采用了TSC与SVG混合补偿的方式,克服了TSC有级补偿以及SVG补偿容量不足的缺点,从而实现了大范围的精确动态补偿,并兼顾TSC和SVG各自优点,在现有无功补偿需求下具有较大的优越性,是低压无功补偿装置的发展方向。

本文主要探讨TSC的低压无功补偿装置和低压混合式动态无功补偿装置的检测标准的差异,以及对比分析情况。

1 标准差异研究分析

1.1 标准适用范围的差异

GB/T 15576—2020《低压成套无功功率补偿装置》适用于额定交流电压不超过1 000 V(或1 140 V),频率不超过1 000 Hz的低压成套无功功率补偿装置[1]。T/CPSS 1001—2019《低压混合式动态无功补偿装置》适用于50 Hz,额定工作电压1 000 V(或 1 140 V)低压配电系统,含有投切开关、电容器、串联电抗器(可选)和电压型变流器的并联型无功补偿装置[2]。两份标准规定装置适用频率不同,且T/CPSS 1001—2019规定了装置主要元件,明确了装置必须装配电压型变流器。

1.2 术语和定义的差异

两个标准主要根据各自规定类别的装置进行了相关术语定义。GB/T 15576—2020主要定义低压成套无功功率补偿装置和集成低压无功功率补偿装置的构成,以及根据低压成套无功功率补偿装置安装位置定义集中补偿装置、分组补偿装置、末端补偿装置和相间补偿装置。另外,还定义了涌流和动态响应时间等8个技术参数。

T/CPSS 1001—2019主要定义低压混合式动态无功补偿装置,明确给出构成该装置的主要部件——无源组件和有源组件的定义。同时,给出无功功率补偿控制等5个技术参数的定义,其中动态响应时间的定义与GB/T 15576—2020中有较大差异。GB/T 15576—2020对动态响应时间的说明是从系统无功变化达到设定值时刻起到装置输出无功时的时间间隔;T/CPSS 1001—2019中定义从补偿对象开始突变到装置输出无功达到目标值的90%所需时间。动态响应时间示意图如图1所示。

图1 动态响应时间示意图

T/CPSS 1001—2019定义的动态响应时间为电力行业内所普遍接受,在有源型电能质量治理装置标准中对动态响应时间的定义方式基本与本标准相同[3]。

1.3 装置分类方式的差异

GB/T 15576—2020中分别根据使用场所、安装位置、补偿相数、投切电容器的元件类型和有无抑制谐波或滤波功能5种方式划分为不同类别的装置。

T/CPSS 1001—2019根据电气接线方式分为三相三线和三相四线型,根据三相无功补偿方式把装置分为共补型、分补型和共分补型。

1.4 装置使用条件的差异

GB/T 15576—2020中分别从正常使用条件的空气温度(含户内和户外装置)、湿度条件(含户内和户外装置)、污染等级、海拔和安装地点条件,以及特殊使用条件说明装置可以安装使用的场景。T/CPSS 1001—2019中分别从周围空气温度(含户内和户外装置)、相对湿度、污染等级、海拔、抗震水平和电气条件,以及特殊使用条件说明装置可以安装使用的场景。

其中,两个标准在空气温度和湿度条件,以及污染等级的使用条件基本相同。海拔高度使用条件上,GB/T 15576—2020规定的无功补偿装置安装地点的海拔高度不超过2 000 m,T/CPSS 1001—2019要求安装地点海拔高度规定不应超过1 000 m,如果安装地点海拔高度超过1 000 m,应对相关的温升限值和绝缘等进行修正。T/CPSS 1001—2019中增加了抗震水平,规定安装地点无剧烈振动及颠簸,安装倾斜度不大于5°。在电气条件的规定中,T/CPSS 1001—2019明确混合式动态无功补偿装置的适用电网条件:电压变化范围为85%UN～115%UN,相比GB/T 15576—2020规定的无功补偿装置适用电压波动不超过±10%额定工作电压的范围要更大。这反映出混合式动态无功补偿装置由于电力电子模块的存在,使得整个装置的电气适用性增强。

1.5 装置基本防护差异

GB/T 15576—2020中第7.4.2条基本防护旨在防止直接与危险带电部分接触。能够利用装置本身适宜的结构措施,或在安装过程中采取的附加措施来获得基本防护。并指出两种基本防护方式:一种是第7.4.2.2条由绝缘材料提供基本绝缘,危险带电部分应用绝缘完全覆盖。另一种是第7.4.2.3条采用挡板或外壳方式,用空气绝缘的带电部分应安置在至少提供IPXXB防护等级的外壳内或挡板的后面;导电的挡板或外壳与带电部分的距离应不小于第7.3条规定的电气间隙与爬电距离。同时,第7.2.2条中要求防止触及带电部分以及外来固体和水进入的防护等级,户内使用装置防护等级不低于IP20,户外使用装置防护等级不低于IP44。

T/CPSS 1001—2019中第6.5条指出户内使用装置防护等级不低于IP20,操作面板防护等级不低于IP40;户外使用装置防护等级不低于IP44。

1.6 装置的控制和保护功能的差异

GB/T 15576—2020中主要针对的是由电容器和控制投切装置来实现无功功率的补偿装置,第8.6.1条一般要求说明对自动控制投切的设备应设有工频过电压保护,对非自动控制投切的设备,宜装有过电流保护。同时,详细规定了工频过电压保护、涌流保护和缺相保护的内容。

T/CPSS 1001—2019第5.3条控制功能规定了无功功率补偿控制、功率因数补偿控制、电压控制(可选)、谐波滤除(可选)、三相不平衡补偿(可选)共5个控制功能。结合有源模块功能,该标准中规定了7项保护功能,即交流输入欠压保护(可选)、交流输入过压保护、输出过电流保护、谐波超限保护、缺相保护、自恢复(可选)和温度保护。

T/CPSS 1001—2019第5.3条和GB/T 15576—2020第8.6.1条内容对比如表1所示。

表1 T/CPSS 1001—2019第5.3条和GB/T 15576—2020第8.6.1条内容对比

1.7 装置性能试验的差异

装置在性能试验方面主要是动态响应时间试验、谐波滤除率试验、三相不平衡补偿试验、损耗试验和过载能力试验等。

1.7.1 动态响应时间试验

动态响应时间试验作为关键的测试项目,两项标准对该项目的定义,根据装置本身的特点有明显的差异。GB/T 15576—2020中主要针对具有投切电容器的元件控制投切的装置,投切元件如机电开关、半导体电子开关(如晶闸管)和复合开关。针对这类型装置,采用半导体电子开关或复合开关投切的装置,其动态响应时间不大于1 s。具体的测试方法:装置在额定电压的自动工作状态,主电路中投入大于设定值的感性负荷,检测感性负荷电压的变化,记录该时刻为T1,同时检测电容器投入的电流变化,记录补偿电容器输出电流发生变化的时刻T2,装置的动态响应时间T为T2-T1,试验3次取最长时间T值。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.3条动态响应时间试验,分别针对有源组件和整个装置做了两方面的规定说明。第7.9.3.1条有源组件动态响应时间试验,首先断开装置内无源组件,设置装置为无功功率补偿模式,调节无功负载,使其从0到有源组件额定容量的90%,然后从补偿对象开始突变到装置输出达到目标值的90%,用测试仪器分别记录测量点1和测量点3的电压和电流波形数据,并且据此分析该工况下装置的响应时间。第7.9.3.2条动态响应时间于试验同第7.9.3.1条的规定,仅要求装置为正常的无功功率补偿模式。性能试验平台示意图如图2所示。

图2 性能试验平台示意图

两个标准对于该类装置关键参数动态响应时间的试验规定有明显的不同,GB/T 15576—2020规定了整个装置的动态响应时间试验,且试验方法中明确说明装置补偿的是引入感性负荷变化的情况。这是因为该类装置仅能补偿感性无功变化的情况,同时也是该类装置的局限性所在。T/CPSS 1001—2019则对混合无功补偿装置的动态响应时间做出了两方面说明,即单独有源组件和完整装置两种情况的试验方法进行规定;并且根据混合无功补偿装置对于感性无功或是容性无功均可补偿的特点,试验方法中并未规定装置需要在感性无功负荷变化或是容性无功负荷变化的情况。

1.7.2 谐波抑制或谐波滤除率试验

随着电气系统中电力电子化的加速,谐波出现在越来越多的应用场景中,这样谐波抑制或谐波滤除就显得尤为重要。GB/T 15576—2020中说明具备抑制谐波或滤波功能的装置,根据用电场所的谐波参数,按照GB/T 14549—1993中公用电网谐波电压限值及谐波电流允许值,满足用户的需求。对于具备抑制谐波功能的装置,投入后系统谐波电流含量不应增加;具备滤波功能的装置,投入后系统的电流谐波含量至少应减少到装置投入前系统电流谐波含量的50%。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.5条中说明该项目为可选择测试项目,仅针对具备谐波滤除功能的补偿装置。具备谐波滤除功能的补偿装置的滤除能力应达到中国电源学会团体标准T/CPSS 1002—2018《低压有源电力滤波装置》第5.4条性能要求的限值,即当负载电流畸变率≥20%时,总谐波补偿率≥85%;当负载电流畸变率<20%时,补偿之后电力畸变率应不大于5%。

1.7.3 三相不平衡补偿试验

T/CPSS 1001—2019中第7.9.6条中说明该项目为可选择测试项目,仅针对具备三相不平衡补偿功能的装置。试验时,在装置补偿范围内调节不平衡负载,测量三相电流数据,验证三相电流不平衡补偿率应满足中国电源学会团体标准T/CPSS 1001—2018《低压配电网有源不平衡补偿装置》第5.4条性能要求的不小于90%。标准GB/T 15576—2020中未提及该测试项目。

1.7.4 损耗测试

T/CPSS 1001—2019中第7.9.7条规定,补偿装置设定为无功补偿模式。试验时,设定有功负载为固定值,调节无功负载使得补偿装置输出额定容性无功,以此测量图2中的测量点3无功功率数据;同时根据测量点1和测量点2的有功功率数据差值,计算补偿装置的有功损耗平均值;测得的补偿装置有功损耗值与额定补偿容量的比值不应超过3%。GB/T 15576—2020中未提及该测试项目。

1.8 电磁兼容性测试

GB/T 15576—2020第9.12条和标准T/CPSS 1001—2019第7.17条都对装置的电磁兼容性能做了要求。GB/T 15576—2020引用了国标GB 7251.1—2013/IEC 61439-1:2011《低压成套开关设备和控制设备第1部分:总则》J.10.12的全部条目规定[4]。T/CPSS 1001—2019共计列出了5项电磁兼容性要求,主要为引用GB/T 17626系列和GB 17799.4的要求[5]。

1.9 环境温度性能试验

GB/T 15576—2020第9.20条和T/CPSS 1001—2019第7.18条都对装置的环境温度性能做了要求,且规定仅适用于户外型装置。GB/T 15576—2020要求装置在高温40 ℃±3 ℃和低温-25 ℃±3 ℃环境下,均能正常工作。T/CPSS 1001—2019要求装置在高温(50±3)℃和低温(-25±3) ℃环境下能够正常运行,同时,第7.18.2条要求装置具有耐湿热性,当装置不通电的情况下,存放于温度(40±2) ℃、湿度为(93±3)%RH环境2 d,恢复至常态下,仍能正常运行。

2 结 语

GB/T 15576—2020主要针对的是由控制投切元件和电容器实现无功功率的补偿装置,T/CPSS 1001—2019主要针对SVG器和晶闸管投切电容器构成的装置,能够通过有源部件和无源部件的协同配合实现对无功功率的动态补偿装置。基于两款装置的差异,在适用场景、功能和性能技术要求等方面而有相应的差别,继而延伸到各技术参数的测试方法有所差别。归根结底,T/CPSS 1001—2019规定的技术内容相较于GB/T 15576—2020的内容,多出了电力电子装置的智能保护、快速响应、灵活控制和高效补偿性能等。因此,TSC的低压无功补偿装置可主要依据GB/T 15576—2020进行检测。针对低压混合式动态无功补偿装置可以参考标准T/CPSS 1001—2019进行检测。

此外,GB/T 15576—2020作为推荐性国家标准,对于成套无功功率补偿装置针对基础安全性,提出多个具体的技术要求。如对保护导体、电器元件和附件、内部电路、绝缘导线,以及外接导线端子等都一一做了详尽的要求。而T/CPSS 1001—2019作为电能质量领域的团体标准,主要针对将成为发展趋势的电力电子化的无功补偿装置的性能参数、功能特点等给出了较多的技术要求,如无功功率补偿、功率因数补偿和电压控制。稳态控制精度、动态响应时间、三相不平衡补偿,以及主动式保护功能等。