智能型低压无功补偿装置若干问题的探讨

1　前言

　　近年来，在城乡电网改造的实施过程中，低压并联电容器无功补偿装置的设计方案有了重大的改进和突破，取得了满意的运行效果。对提高供电电压质量，挖掘供电设备的潜力、降低线路损失及节能均起到积极的作用。本文就智能型低压无功补偿装置开发中的若干技术问题和发展方向进行讨论，以供参考。

2　低压补偿的改进

　　低压无功补偿的传统模式主要有以下三种型式，①装于低压电动机的单台就地补偿；②装于配电变压器低压侧的补偿箱；③装于企业配电房或车间以及高层建筑楼层配电间的自动补偿柜（如PGJ柜等）。限于篇幅，对单台补偿问题本文不作讨论。低压补偿箱和补偿柜的技术改进和新技术应用归纳起来主要有以下几方面：
　　
　　（1）由三相共补到分相补偿，以求达到更理想的补偿效果；
　　（2）由单一的无功补偿到同时具有滤波及抑制谐波功能的补偿装置；
　　（3）从采用交流接触器进行投切，到选用晶闸管开关电路投切，以及发展为等电压投、零电流切的最佳投切模式；
　　（4）智能型自动补偿控制器和配电变压器的运行记录仪相结合；
　　（5）将低压补偿的功能纳入箱式变电站　　或美式箱变的低压部分；
　　（6）采用不锈钢或航空铝板的箱体，具有防寒、防晒、密封、防潮、防锈的特点；
　　（7）选用干式或充SF6的自愈式并联电容器，提高运行可靠性，延长使用年限。

3　△－Y共补与分补相结合的接线

　　3．1　三相共补的接线

　　传统的低压补偿都是采用三相共补的方式，根据控制器统一取样，各相投入相同的补偿容量，这种补偿方式的接线如图1所示。适用于三相负载基本平衡、各相负载的cosφ相近的网络。为什么国内外制造厂对三相共补的电容器均选用△接线呢？主要是额定电压400V的自愈式电容器的价格较同容量额定电压230V的电容器要便宜得多。这是由于原材料价格的原因和400V电容器极间工作电场强度较高的缘故。以400V的电容器为例，用厚8μm金属化膜时，工作场强为50MV／m，如用厚7μm的金属化膜，工作场强为57．14M V／m，而230V的电容器，如维持与上述的工作场强相近时，则必须选用更薄的金属化膜，但4～5μm薄膜的价格要比7～8μm薄膜贵得多，故对230V电容器一般是采取降低工作场强的设计，按照国内的通常价格，同容量的230V电容器的价格为400V电容器价格的2倍以上。

　　3．2　三相分补的接线

　　三相分补方式就是各相分别取样，各相分别投入不同的补偿容量。适用于各相负载相差较大，其cosφ值也有较大差别的场合。接线如图2所示。与三相共补的不同特点是：①单台并联电容器的额定电压为230V，Y接；②控制器分相进行工作，互不影响。当然，其价格高于三相共补的装置，一般要贵20％～30％。

　　3．3　Δ－Y共补与分补相结合的接线

　　从经济的角度出发，也可以采用电容器Δ－Y接线，即三相共补与三相分补相结合的接线方案如图3所示。三相共补部分的电容器为Δ接线，三相分补部分的电容器为Y接线，例如某厂家Δ接电容器组的单台电容器分别为400V，10、15、20、30kvar。Y接电容器组的单台电容器分别为：230V，3、4、5、6、8、10kvar。这种接线方式的补偿装置，运行方式机动灵活，其成套价格低于图2的接线方案。也有的厂家对Y接的电容器组仍采用400V的电容器，其单台铭牌容量与Δ接电容器组选用相同的电容器，而Y接部分的电容器实际输出的容量只有铭牌的1／3。这样做的目的是由于400V的产品比较便宜，即使实际容量较名牌值小，但由于工作场强低，寿命较长，且整个装置只用一个规格的电容器，互换性强。

4　并联电容器的投切开关

　　4．1　交流接触器

　　70年代广泛应用的PGJ补偿柜，都是采用交流接触器作为并联电容器的投切开关，迄今仍有沿用。其缺点是：①投入电容时产生倍数较高的涌流，容易在接触器的触点处产生火花，烧损触头；②切断电容时，容易粘住　　触头，造成拉不开；③涌流过大对电容器本身有害，会影响使用寿命。当时采用的措施是：（1）适当选择额定容量较大的接触器，如用额定电流40A的接触器投切15kvar的三相电容器（IC＝21．7A）；②采用专用的接触器，其型号有CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；③每台电容器加装串联小电抗器，用以抑制涌流。

　　4．2　双向晶闸管开关电路

　　采用双向晶闸管的无触点开关电路（又称固态继电器）取代交流接触器用于投切电容器的接线如图4（a）所示。其优点是过零触发，无拉弧，动作时间短，可大幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于繁投切的场合。但也存在以下缺点：①采用双向晶闸管制造成本高，晶闸管开关电路的补偿柜价格要比采用接触器的补偿柜贵70％～80％左右；②晶闸管开关电路运行时有较大的压降，运行中的电能损耗和发热问题不可忽视。以BZMJ0．4－15－3并联电容器为例，其额定电流为21．7A，如晶闸管开关的电压降为1V时，3个晶闸管开关电路运行时，损耗的功率为：P＝3×1×21．7＝65．1W，如补偿柜的无功功率为90kvar，则全部投入时，晶闸管的功率损耗为65．1×6＝390．6W，以每天平均10h计，日耗电量达3．906kW·h。年耗量约为1426kW·h，有功消耗的发热量还会增加整个补偿装置的温升，而需采用相应的散热降温的措施，如采用接触器则基本上不消耗有功；（3）晶闸管电路的本身也是谐波源，大量的应用对低压电网的波形不利。因此，除了对晶闸管开关电路加以改进外，还应使之在完成开合闸操作后退出，仍由与之并联的接触器维持电容器的正常运行。

　　4．3　晶闸管和二极管反并联的开关电路

　　一个晶闸管和一个二极管反并联的接线方案如图4（b）所示。与图4（a）的接线方案对比，由于相同容量的二极管的价格低于晶闸管，故用一只晶闸管和一只二极管反并联的无触点开关电路制造成本较低，而技术性能相近，但反应时间则较漫些，切除电容器时，从切除指令的输出到工作任务的完成，可以在半周波内完成，（即时间t≤10ms）。如采用图4（b）的方案，由于二级管的不可控性，通常其切除时间要在0．5～1Hz之间，即切除时间t≤20ms。

　　4．4　等电压投零电流切的新型无触点开关电路

　　等电压投零电流切的新型无触点开关电路的接线如图5所示，图中J为交流接触器的触点。其运行操作顺序说明如下：当投入电容器时，先由微电脑控制器发出信号给开关电路，使之在等电压时投入电容器，微电脑的控制器紧接着又发信号给接触器，使其触点也闭合，将晶闸管开关电路短路，由于接触器J闭合后的接触电阻远小于开关电路导通时的电阻，达到了节能和延长开关电路使用寿命的目的。当需要切除电容器时控制器先发信号给接触器，使接触器触点J断开，此时开关电路处于导通状态，并由开关电路在电流过零时，将电容器切除。本方案的优点是：运行功耗低、涌流小、谐波影响小，制造成本低，开关电路和接触器的使用寿命长。

　　4．5　两相两管开关电路投切的三相Δ形接线电容器组

　　两相两管开关电路投切三相Δ形接线电容器组的接线如图6所示。该项投切原理是北京首电科技有限公司的专利技术，已在我国低压配电网中获得广泛的应用，效果是满意的。

5　智能型自动控制器

　　5．1　检测量和控制目标

　　检测量主要有cosφ、无功功率Q和无功电流Iq三种，80年代中期多选用以cosφ为检测量的控制器，执行手段是投切电容器，补偿的最终目的是减少进出电网的无功功率。此方案的主要缺点是：轻载时容易产生投切震荡，重载时又不易达到充分补偿，故新型的控制器已不再选用以cosφ为检测量。检测量为Q的控制器，其工作原理是将电压和电流的信号送入霍尔元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以测出Q＝UIsinφ，由于检测量和控制目标都是同一物理量，技术上是合理的，但检测难度要大些。检测量为Iq的控制器，利用了相电压u由正到负过零的瞬间，恰好就是A相无功电流最大值Iqmax的原理，用相电压u负过零信号控制，采用开关和简单的保持电路，以完成对Iq实时检测。这种方案的优点是：检测方法简单，不会发生震荡，补偿效果与电网电压的波动无关。

　　5．2　检测点的设置方案

　　有两种选择方案：①控制器输入电压和电流信号的检测点设在补偿设备的前端，如图7中的A点处；②检测点设在补偿设备后端如图7中的B点处。

　　检测点A由于不能直接检测负载的无功功率，不易实现多组电容器的一次快速投切，通常采用逐级渐进的投切方式，较慢地达到应补偿值，因此仅适用于负载运行较平稳，无大容量冲击负载，不需要快速动态补偿的场合。如接于检测点B，其优点是仅根据负载Q和Iq测得值，决定电容器投入组数，是一种只管投切，不控制补偿后实际效果的控制方式，其优点是控制方式简单，可一次快速投切多组电容器，缺点是静态补偿的精度较差。有关专家还提出了兼顾两者优点的闭合控制方式，即检测点设在A处，检测补偿后的无功功率ΔQ，又通过ΔQ求得负载的全部无功功率Q，即完全补偿时所需投入的全部电容器的无功功率，这种由变动量求总和的设想，可通过微机来实现，又因可一次投入应投的全部电容器，获得快速的动态补偿特性，是目前公认的比较理想方案。

　　5．3　对自动控制器性能及质量的要求

　　目前全国大约有200多家企业生产无功补偿自动控制器，其中多数是技术水平很低、缺乏较齐全的检测设备，生产批量小，质量难以保证的家庭作坊式小厂。为了提高自动控制器的技术性能和可靠性，电力行业标准DL／T597－1996《低压无功补偿器订货技术条件》，对控制器的基本功能提出以下要求：①应具有电容器投入及切除门限设定值、延时设定值、过电压保护设定值的设置功能；②对可按设定程序投切的控制器，应具有投切程序设置功能；③面板功能键的操作应有容错功能；④面板的设置应具有硬件或软件闭锁功能。为了提高控制器工作的可靠性还应注意以下几点：①控制器应有防止在小负载情况下出现投切震荡的措施；②合理简化控制器的电路设计，元器件数量越多，电路越复杂，则控制器的故障率越高；③减少一些控制器本身不必要附加功能，例如自动和手动的切换，电容器故障的报警等功能均应由控制器转移到无功补偿屏上；④选用质量优良的单片机和电子元器件；⑤注意自动控制器抗电磁干扰的能力；⑥合理选择检测量和控制方案。

　　5．4　配电综合测控仪和无功补偿自动控制器一体化

　　无功补偿自动控制器和配电综合测控仪的一体化问题是城网改造提出的配电网自动化问题，运行单位往往要求在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿的低压电容器和配电综合测控仪。以北京首电科技研制的SDPD－2000配电综合测控仪为例，兼具配电变压器运行参数的数据采集、显示和记录以及无功补偿的智能控制和保护等两大功能。数据采集的范围包括：电压、电流、功率因数、有功及无功功率、有功及无功电量、谐波电压、谐波电流，每日电压和负载电流的最大值和最小值，停电时刻、来电时刻及累计停电时间，每相过电压、欠电压及缺相时间等参数，数据储存期为2个月。且具有RS232／485通讯接口，可采用现场或远程采集的方式。显示方面采用液晶显示器，全中文直观显示配电变压器运行的有关参数。无功补偿智能化控制方面取样的物理量为负载的无功功率Q；可对Δ－Y电容器组的任意组合方式进行调节；防止无功投切震荡及补偿呆区；当电网中发生过电压、欠电压、缺相、谐波或零序电流超标及电容器温升超标时，快速切除补偿电容器。

6　应用实例

　　以厦门市湖西村一台400kVA配电变压器为例，2000年7月8日的运行记录如表1所示。