低壓無功補(bǔ)償裝置的器件和選型

1、低壓無功補(bǔ)償裝置的器件分析和選型2015-01-26 13:46:45作者：北京電聯(lián)力光電氣有限公司 王宏杰 董國軍來源：電能質(zhì)量 本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，針對(duì)低壓無功補(bǔ)償裝置的選型問題，對(duì)目前低壓無功補(bǔ)償裝置中所涉及的要點(diǎn)和器件（補(bǔ)償容量、控制器、投切裝置）進(jìn)行了比較和分析。文中對(duì)新型的電容器投切裝置機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，提出了無功補(bǔ)償裝置中器件選擇的實(shí)用方法。 關(guān)鍵字： 無功補(bǔ)償容量 2篇 無功補(bǔ)償控制器 2篇 機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān) 1篇 1 前言現(xiàn)有供電設(shè)備雖經(jīng)多次改造，仍然難以滿足日益增長的電力負(fù)荷需求，目前全國各地已不同程度地出現(xiàn)了缺電和拉閘限電的現(xiàn)象。解決電力供應(yīng)緊張的問題，

2、除了加快電廠建設(shè)以外，采用合理的無功補(bǔ)償不失為一條有效的途徑。做好無功補(bǔ)償工作，不但可起到擴(kuò)大現(xiàn)有輸變電設(shè)備供電能力、改善電能質(zhì)量、降低線路損耗、緩解供電能力不足的作用，而且還能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，如延長供用電設(shè)備的使用壽命、降低用戶的電費(fèi)支出等。無功補(bǔ)償?shù)闹匾约捌浣鉀Q問題的現(xiàn)實(shí)性，目前已得到了業(yè)內(nèi)共識(shí)，各地也相繼安裝了許多不同形式的無功補(bǔ)償裝置，但從其使用的效果來看卻不盡相同。特別是運(yùn)行在0.4kV級(jí)的無功補(bǔ)償裝置，由于其補(bǔ)償點(diǎn)多，分布面廣，專業(yè)技術(shù)管理的力度相對(duì)薄弱，因此，在補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性、運(yùn)行的安全性、動(dòng)作的可靠性、設(shè)備的先進(jìn)性、以及維護(hù)量的多少、使用壽命的長短等方面，存在著優(yōu)劣并存，良

3、莠不齊的現(xiàn)狀。例如：某單位的無功補(bǔ)償屏安裝后，一直不能正常使用，成為閑置設(shè)備;又如：某單位桿上變壓器的低壓補(bǔ)償電容器投入后，立刻引起線路跳閘，只好將電容器拆除后才能正常供電等，此類不良補(bǔ)償現(xiàn)象，在實(shí)際工作中時(shí)有發(fā)生，究其原因，主要是沒有根據(jù)具體的負(fù)荷性質(zhì)，恰當(dāng)?shù)剡x擇優(yōu)質(zhì)補(bǔ)償設(shè)備。本文就低壓無功補(bǔ)償裝置的器件選型問題，提出一些淺見，以起到拋磚引玉的作用，并希望能為實(shí)際工作提供一點(diǎn)參考。2 補(bǔ)償電容器的容量及相關(guān)因素補(bǔ)償電容量的正確選擇，是獲得良好補(bǔ)償效果的重要環(huán)節(jié)，具體選擇時(shí)，可考慮如下幾個(gè)因素：(1)供電變壓器的空載無功補(bǔ)償一般可選變壓器總?cè)萘?%的并聯(lián)電容器作為固定補(bǔ)償，以補(bǔ)償變壓器的空載無

4、功損耗。(2)確定多路補(bǔ)償?shù)娜萘刻荻攘私庥秒娯?fù)荷的最大值、最小值、負(fù)荷的波動(dòng)情況，根據(jù)具體情況以確定電容器的投切步長和分組路數(shù)，做到對(duì)無功變化的精確跟蹤。(3)平衡補(bǔ)償、分相補(bǔ)償、復(fù)合補(bǔ)償?shù)倪x擇確定三相負(fù)荷的不平衡程度，必要時(shí)需進(jìn)行現(xiàn)場測量，以確定采用三相平衡補(bǔ)償還是采用復(fù)合補(bǔ)償方式。當(dāng)三相嚴(yán)重不平衡時(shí)，最好選用適當(dāng)容量的分相補(bǔ)償。(4)確定補(bǔ)償電容器的總?cè)萘繙y量自然功率因數(shù)，確定目標(biāo)功率因數(shù)，根據(jù)兩者之差確定所需要的無功補(bǔ)償總?cè)萘?。若已知：有功功率P，自然功率因數(shù) ，目標(biāo)功率因數(shù) ，則所需補(bǔ)償?shù)碾娙萜骺側(cè)萘繛椋?。(5)確定是否采用抗諧波無功補(bǔ)償電容器當(dāng)電網(wǎng)諧波分量較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場諧波測試

5、，必要時(shí)需采用與電抗器配套設(shè)計(jì)的專用電容器，以防止在較大諧波的作用下，補(bǔ)償裝置無法正常運(yùn)行或電容器易損壞的現(xiàn)象發(fā)生。3 無功補(bǔ)償控制器的選擇隨著電子技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了集成電路、CPU、DSP等技術(shù)構(gòu)成的、各具特色的無功補(bǔ)償控制器。隨著無功補(bǔ)償產(chǎn)品市場需求的逐步擴(kuò)大，生產(chǎn)無功補(bǔ)償控制器的廠家越來越多，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品性能也千差萬別。因此，在控制器的選擇上要特別慎重，應(yīng)嚴(yán)格按照DL/T 597低壓無功補(bǔ)償控制器訂貨技術(shù)條件、JB/T 9663低壓無功功率自動(dòng)補(bǔ)償控制器等專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項(xiàng)要求，依據(jù)具體的補(bǔ)償需求和負(fù)荷特性，選擇專業(yè)化廠家生產(chǎn)的合格控制器。一般情況下，可從以下幾個(gè)方面對(duì)控制器進(jìn)行

6、選擇。(1)對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)不大，且三相負(fù)荷基本平衡，僅以提高功率因數(shù)為目標(biāo)的情況，為了降低設(shè)備成本，可選用功能單一、操作簡便的簡易型無功補(bǔ)償控制器。其控制物理量可不做嚴(yán)格要求，可采用無功功率、無功電流或功率因數(shù)作為控制物理量，也可采用復(fù)合型控制物理量。投切方式可采用較簡單的循環(huán)投切模式。這樣即能達(dá)到較好的無功補(bǔ)償效果，又能降低設(shè)備的生產(chǎn)制造成本，同時(shí)設(shè)備操作簡單，便于維護(hù)。(2)對(duì)于電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)頻繁、最大負(fù)荷與最小負(fù)荷間的差距較大，但三相負(fù)荷基本平衡的情況，宜選用性能較好的控制器。例如選用無功電流或無功功率作為控制物理量，且投入門限和切除門限應(yīng)能夠分別設(shè)定，以防止出現(xiàn)投切震蕩，同時(shí)還應(yīng)具有過

7、壓和欠流等保護(hù)功能。投切方式最好采用可進(jìn)行程序控制的“編碼+循環(huán)”投切方式，以確?？刂破髂軌蚩焖贉?zhǔn)確地對(duì)無功功率的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。(3)當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)頻繁，最大負(fù)荷與最小負(fù)荷差距較大，同時(shí)三相負(fù)荷嚴(yán)重不平衡時(shí)，對(duì)控制器的選擇就提出了更高的要求，應(yīng)具有“分相+平衡”復(fù)合投切功能。其控制物理量應(yīng)為復(fù)合型(無功功率+功率因數(shù))，其性能參數(shù)應(yīng)不低于以下要求：靈敏度100mA;動(dòng)作誤差不大于表1的規(guī)定;穩(wěn)定范圍：確?？刂破髟跐M足補(bǔ)償要求的前提下，確保穩(wěn)定工作，不出現(xiàn)投切震蕩。表1取樣物理量允許誤差無功功率20%無功電流20%功率因數(shù)2.5%(4)為了配合電網(wǎng)自動(dòng)化的實(shí)施，在提高功率因數(shù)的同時(shí)，還要

8、求能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，在這種情況下，則需要選擇具有綜合測試功能的無功補(bǔ)償控制器(配電綜合測控儀)。該控制器除應(yīng)具有前3項(xiàng)中提到的復(fù)合型控制物理量、復(fù)合投切功能、較高的靈敏度和穩(wěn)定度、較小的動(dòng)作誤差、以及過壓、欠流等保護(hù)功能外，還應(yīng)具有電網(wǎng)參數(shù)實(shí)時(shí)在線測量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、電報(bào)校時(shí)、停電數(shù)據(jù)保護(hù)、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳等功能。同時(shí)應(yīng)配套功能完善的支持性后臺(tái)軟件，以便對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和直觀的圖形顯示，并能輸出各類相關(guān)的報(bào)表。若數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS無線通訊方式，還可以完全免掉通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資和人工抄表工作，節(jié)約大量的財(cái)力和人力。(5)對(duì)于非線性負(fù)荷較多、電網(wǎng)諧波分量較大的情況

9、，必須選用具有諧波測量和諧波超限保護(hù)功能的無功補(bǔ)償控制器，并選配參數(shù)合理的抗諧波電抗器，構(gòu)成抗諧波無功補(bǔ)償控制裝置，以便在諧波較嚴(yán)重的工況下仍能可靠運(yùn)行，達(dá)到滿意的補(bǔ)償效果。4 電容投切裝置的選擇無功補(bǔ)償電容器的投切器件較多，其投切的平穩(wěn)度和使用壽命也相差很大，下面分別加以說明。4.1 普通交流接觸器由于電容器在投入和切除時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的涌流和過壓，暫態(tài)高壓和投切沖擊電流會(huì)導(dǎo)致電器絕緣擊穿和接觸器觸頭燒損，使接觸器頻繁損壞，同時(shí)還會(huì)影響電容器使用壽命和對(duì)電網(wǎng)造成干擾。因此，普通交流接觸器投切電容器的控制方式目前已基本淘汰。4.2 電容器投切專用接觸器為了解決普通接觸器易燒損的問題，一些生產(chǎn)企業(yè)研

10、制了帶有抑制涌流裝置的電容器投切專用接觸器。該接觸器是在普通交流接觸器的主觸點(diǎn)上加裝了一套限流阻抗，在電容器投切不頻繁時(shí)，起到了一定的作用。但其抑制電容器涌流的效果并不理想，當(dāng)電流較大時(shí)，其限流阻抗和主觸點(diǎn)被燒毀的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。特別在無功負(fù)荷波動(dòng)大，電容器投切頻繁的情況下，其實(shí)際使用壽命一般僅在一年左右，就必須進(jìn)行檢修或更換。采用專用接觸器進(jìn)行電容器投切的無功補(bǔ)償裝置，只適用于在負(fù)荷基本平穩(wěn)、且三相電壓基本平衡的理想工作環(huán)境下使用。4.3 晶閘管電子開關(guān)要提高無功補(bǔ)償裝置的使用壽命和投切穩(wěn)定性，必須徹底解決電容器投切時(shí)產(chǎn)生的涌流、過壓和分?jǐn)嚯娀∵^大等問題。利用晶閘管實(shí)現(xiàn)電壓過零投入、電流過零切

11、除、開關(guān)無觸點(diǎn)、反應(yīng)速度快等特性，可實(shí)現(xiàn)電容器的投入無涌流、切除無過壓、投切無電弧的快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償功能，因而較好地解決了電容器投切時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊現(xiàn)象。目前，采用晶閘管投切電容器(TSC)的無功補(bǔ)償裝置已得到了較多的應(yīng)用。但晶閘管元件最明顯的缺點(diǎn)是在導(dǎo)通狀態(tài)下有較大的管壓降，這不僅存在一定的功率損耗，還產(chǎn)生了很高的溫升，需要使用軸流風(fēng)扇和體積較大的專用散熱器，來解決其通風(fēng)散熱問題，同時(shí)還需使用溫控開關(guān)來控制軸流風(fēng)扇的適時(shí)啟動(dòng)。由于軸流風(fēng)扇是具有機(jī)械旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的易損器件，存在著一定的不可靠性，風(fēng)扇一旦停止運(yùn)轉(zhuǎn)，就會(huì)影響裝置的正常運(yùn)行，因此降低了TSC無功補(bǔ)償裝置的可靠性。由此可見，采用晶閘管作為電容

12、器的投切裝置，雖然解決了電容器投切過程中的涌流、過壓、分?jǐn)嚯娀〉葐栴}，但其自身也存在著明顯不足，如散熱器體積大、冷卻風(fēng)扇易損壞、需外加溫控開關(guān)和觸發(fā)電路等輔助器件、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等。由于0.4kV級(jí)的低壓無功補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)分散、數(shù)量多、運(yùn)行和維護(hù)的工作量大，因此，在無功補(bǔ)償裝置的選用中，晶閘管電容投切裝置所暴露的缺陷已不容忽視。選用可靠性更高、使用壽命更長的免維護(hù)型電容器投切裝置，是達(dá)到良好補(bǔ)償效果、降低運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要舉措。4.4 機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)近年來，一些專業(yè)廠家研制了不同形式的機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)，作為電容器的投切裝置。其中有些機(jī)電開關(guān)已能達(dá)到良好的電容

13、器投切效果，并取得了很好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。因機(jī)電一體開關(guān)是一種新型的電容器投切裝置，下面將其工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和選用注意事項(xiàng)作簡單介紹。4.4.1 主接線和工作原理圖1(1)機(jī)電一體化開關(guān)的基本構(gòu)成CPU控制單元接收無功補(bǔ)償控制器發(fā)出的電容器投切信號(hào)，即“控制信號(hào)1”，并按預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出晶閘管和交流接觸器的通斷控制信號(hào);晶閘管電子開關(guān)它接收CPU控制單元發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電容器的零電壓投入和零電流切除功能;交流接觸器它接收CPU控制單元發(fā)出的分合指令，即“控制信號(hào)2”。交流接觸器只在穩(wěn)態(tài)時(shí)，起到無功補(bǔ)償電容器與電網(wǎng)之間的能量傳遞作用。(2)機(jī)電一體化開關(guān)的設(shè)計(jì)思想由上圖可見，機(jī)電一體化開關(guān)的通

14、斷器件有兩種，即正反向并聯(lián)晶閘管和普通交流接觸器。其設(shè)計(jì)思想是：將電容器投切和運(yùn)行的不同特性，分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩個(gè)過程，分別采用不同特性的器件進(jìn)行控制，即：利用晶閘管的易控和無觸點(diǎn)特性，使反向并聯(lián)晶閘管工作在電容器投切瞬間的暫態(tài)過程中，起到抑制涌流、過壓和拉弧現(xiàn)象，并能實(shí)現(xiàn)快速投切。利用交流接觸器在可靠閉合時(shí)，其主觸點(diǎn)接觸電阻小、導(dǎo)通容量大、壓降小、功耗小、工作安全可靠等特性，使其工作在電容器投入后和切除前的穩(wěn)態(tài)過程中，起到電容器向電網(wǎng)提供無功能量的主通道作用。(3)機(jī)電一體化開關(guān)的原理框圖實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)思想的核心部件，是機(jī)電一體化控制單元，它由程序化控制電路、正反向并聯(lián)晶閘管和阻容能量吸收電路所

15、組成。機(jī)電一體化控制單元的原理框圖如圖2所示。圖2當(dāng)無功補(bǔ)償控制器根據(jù)電網(wǎng)無功的增量，向機(jī)電一體化控制單元發(fā)出投入或切除電容器的控制信號(hào)時(shí)，該信號(hào)通過光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)入單片機(jī)，啟動(dòng)相應(yīng)的時(shí)序控制程序，單片機(jī)按照規(guī)定的程序步驟，發(fā)出晶閘管通斷指令和接觸器通斷指令，該指令通過功率放大和光電隔離后，驅(qū)動(dòng)晶閘管和交流接觸器按預(yù)先設(shè)定的程序適時(shí)動(dòng)作，確保安全可靠地對(duì)電容器進(jìn)行投切操作。(4)機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序?qū)C(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)動(dòng)作時(shí)序的要求是：投入時(shí)段首先使晶閘管電子開關(guān)在電壓過零時(shí)刻導(dǎo)通，將電容器平穩(wěn)可靠地接入電網(wǎng)，并維持導(dǎo)通狀態(tài);接著使交流接觸器導(dǎo)通，使其處于同晶閘管并聯(lián)工作的狀態(tài)，并持續(xù)一

16、段時(shí)間;最后，電路已處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，將晶閘管斷開退出工作，使交流接觸器獨(dú)立承擔(dān)電容器與電網(wǎng)的連通作用。切除時(shí)段首先使晶閘管電子開關(guān)導(dǎo)通，使其處于同交流接觸器并聯(lián)工作的狀態(tài);接著使交流接觸器斷開退出工作，電容器與電網(wǎng)的連通作用短時(shí)內(nèi)由晶閘管獨(dú)立承擔(dān);最后切除晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管在電流過零時(shí)自然關(guān)斷。機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序圖如圖3所示：圖3 機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)的動(dòng)作時(shí)序圖由圖3可見，無論交流接觸器的主觸點(diǎn)是在閉合時(shí)刻還是在開斷時(shí)刻，晶閘管電子開關(guān)都是處于可靠導(dǎo)通的狀態(tài)，因此，交流接觸器的主觸點(diǎn)上基本不會(huì)產(chǎn)生電弧，從而使接觸器的使用壽命得到了很大的提高，同時(shí)消除了電路的電弧干擾，使整個(gè)

17、系統(tǒng)更加安全可靠。4.4.2 開關(guān)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及選用注意事項(xiàng)從機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)的結(jié)構(gòu)形式來看，主要分為一體式和分體式兩種，下面分別作簡單介紹。(1)一體式機(jī)電復(fù)合開關(guān)一體式機(jī)電復(fù)合開關(guān)，是將CPU控制單元、晶閘管、交流接觸器、以及連接導(dǎo)線和安裝附件等，組裝在同一個(gè)外殼中，形成一個(gè)獨(dú)立的整體。優(yōu)點(diǎn)：一體式機(jī)電復(fù)合開關(guān)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、相應(yīng)的外部接線少，因此給安裝帶來了方便。缺點(diǎn)：由于體積小，其開斷容量和通風(fēng)散熱均受到了限制，一般只能用于小容量的電容器投切。特別是有些一體式復(fù)合開關(guān)的外殼做成不可拆卸的形式，一旦開關(guān)中某個(gè)器件損壞時(shí)，只能整體更換，造成了一定的浪費(fèi)。(2)分體式機(jī)電復(fù)合開關(guān)分體式

18、機(jī)電復(fù)合開關(guān)，是將CPU控制單元、晶閘管、阻容吸收電路等做成一個(gè)整體，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的程序化控制單元，該單元不含交流接觸器，而是與交流接觸器配套使用。優(yōu)點(diǎn)：將暫態(tài)開關(guān)(晶閘管)與穩(wěn)態(tài)開關(guān)(交流接觸器)相互獨(dú)立，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力;獨(dú)立的控制單元具有通用性，可根據(jù)補(bǔ)償電容器的實(shí)際容量，與不同容量的交流接觸器配套使用。整個(gè)補(bǔ)償裝置運(yùn)行可靠、配置靈活，器件損壞時(shí)互換性好。缺點(diǎn)：由于控制單元與交流接觸器需分別安裝，所占空間較大。(3)機(jī)電一體化復(fù)合開關(guān)的選用注意事項(xiàng)為了達(dá)到安全、可靠、長壽命的使用效果，在選用機(jī)電復(fù)合開關(guān)時(shí)應(yīng)注意以下內(nèi)容：查驗(yàn)控制程序是否符合要求不同的生產(chǎn)廠家，其控制程序也不盡相同，在選擇機(jī)電一體復(fù)合開關(guān)時(shí)，必須仔細(xì)鑒別控制程序是否合理，是否能夠確保過零投切，具體鑒別方法可通過查閱此復(fù)合開關(guān)的