摘要：著重介紹近幾年來我國智能型低壓無功補(bǔ)償裝置新產(chǎn)品、新技術(shù)和開發(fā)動態(tài)，并對設(shè)計方案中的若干技術(shù)問題如補(bǔ)償方式的選擇、主接線方案、晶閘管開關(guān)電路、智能型自動控制器等加以討論。

關(guān)鍵字：智能型 低電壓 無功補(bǔ)償 技術(shù)方案

1　前言

近年來，在城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的實施過程中，低壓并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計方案有了重大的改進(jìn)和突破，取得了滿意的運(yùn)行效果。對提高供電電壓質(zhì)量，挖掘供電設(shè)備的潛力、降低線路損失及節(jié)能均起到積極的作用。本文就智能型低壓無功補(bǔ)償裝置開發(fā)中的若干技術(shù)問題和發(fā)展方向進(jìn)行討論，以供參考。

2　低壓補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)

低壓無功補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)模式主要有以下三種型式，①裝于低壓電動機(jī)的單臺就地補(bǔ)償；②裝于配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償箱；③裝于企業(yè)配電房或車間以及高層建筑樓層配電間的自動補(bǔ)償柜（如PGJ柜等）。限于篇幅，對單臺補(bǔ)償問題本文不作討論。低壓補(bǔ)償箱和補(bǔ)償柜的技術(shù)改進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用歸納起來主要有以下幾方面：
　　
（1）由三相共補(bǔ)到分相補(bǔ)償，以求達(dá)到更理想的補(bǔ)償效果；
（2）由單一的無功補(bǔ)償?shù)酵瑫r具有濾波及抑制諧波功能的補(bǔ)償裝置；
（3）從采用交流接觸器進(jìn)行投切，到選用晶閘管開關(guān)電路投切，以及發(fā)展為等電壓投、零電流切的最佳投切模式；
（4）智能型自動補(bǔ)償控制器和配電變壓器的運(yùn)行記錄儀相結(jié)合；
（5）將低壓補(bǔ)償?shù)墓δ芗{入箱式變電站　　或美式箱變的低壓部分；
（6）采用不銹鋼或航空鋁板的箱體，具有防寒、防曬、密封、防潮、防銹的特點(diǎn)；
（7）選用干式或充SF6的自愈式并聯(lián)電容器，提高運(yùn)行可靠性，延長使用年限。

3　△－Y共補(bǔ)與分補(bǔ)相結(jié)合的接線

3．1　三相共補(bǔ)的接線

傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償都是采用三相共補(bǔ)的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一取樣，各相投入相同的補(bǔ)償容量，這種補(bǔ)償方式的接線如圖1所示。適用于三相負(fù)載基本平衡、各相負(fù)載的cosφ相近的網(wǎng)絡(luò)。為什么國內(nèi)外制造廠對三相共補(bǔ)的電容器均選用△接線呢？主要是額定電壓400V的自愈式電容器的價格較同容量額定電壓230V的電容器要便宜得多。這是由于原材料價格的原因和400V電容器極間工作電場強(qiáng)度較高的緣故。以400V的電容器為例，用厚8μm金屬化膜時，工作場強(qiáng)為50MV／m，如用厚7μm的金屬化膜，工作場強(qiáng)為57．14M V／m，而230V的電容器，如維持與上述的工作場強(qiáng)相近時，則必須選用更薄的金屬化膜，但4～5μm薄膜的價格要比7～8μm薄膜貴得多，故對230V電容器一般是采取降低工作場強(qiáng)的設(shè)計，按照國內(nèi)的通常價格，同容量的230V電容器的價格為400V電容器價格的2倍以上。

3．2　三相分補(bǔ)的接線

三相分補(bǔ)方式就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補(bǔ)償容量。適用于各相負(fù)載相差較大，其cosφ值也有較大差別的場合。接線如圖2所示。與三相共補(bǔ)的不同特點(diǎn)是：①單臺并聯(lián)電容器的額定電壓為230V，Y接；②控制器分相進(jìn)行工作，互不影響。當(dāng)然，其價格高于三相共補(bǔ)的裝置，一般要貴20％～30％。

3．3　Δ－Y共補(bǔ)與分補(bǔ)相結(jié)合的接線

從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，也可以采用電容器Δ－Y接線，即三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的接線方案如圖3所示。三相共補(bǔ)部分的電容器為Δ接線，三相分補(bǔ)部分的電容器為Y接線，例如某廠家Δ接電容器組的單臺電容器分別為400V，10、15、20、30kvar。Y接電容器組的單臺電容器分別為：230V，3、4、5、6、8、10kvar。這種接線方式的補(bǔ)償裝置，運(yùn)行方式機(jī)動靈活，其成套價格低于圖2的接線方案。也有的廠家對Y接的電容器組仍采用400V的電容器，其單臺銘牌容量與Δ接電容器組選用相同的電容器，而Y接部分的電容器實際輸出的容量只有銘牌的1／3。這樣做的目的是由于400V的產(chǎn)品比較便宜，即使實際容量較名牌值小，但由于工作場強(qiáng)低，壽命較長，且整個裝置只用一個規(guī)格的電容器，互換性強(qiáng)。

4　并聯(lián)電容器的投切開關(guān)

4．1　交流接觸器

70年代廣泛應(yīng)用的PGJ補(bǔ)償柜，都是采用交流接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開關(guān)，迄今仍有沿用。其缺點(diǎn)是：①投入電容時產(chǎn)生倍數(shù)較高的涌流，容易在接觸器的觸點(diǎn)處產(chǎn)生火花，燒損觸頭；②切斷電容時，容易粘住　　觸頭，造成拉不開；③涌流過大對電容器本身有害，會影響使用壽命。當(dāng)時采用的措施是：（1）適當(dāng)選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40A的接觸器投切15kvar的三相電容器（IC＝21．7A）；②采用專用的接觸器，其型號有CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；③每臺電容器加裝串聯(lián)小電抗器，用以抑制涌流。

4．2　雙向晶閘管開關(guān)電路

采用雙向晶閘管的無觸點(diǎn)開關(guān)電路（又稱固態(tài)繼電器）取代交流接觸器用于投切電容器的接線如圖4（a）所示。其優(yōu)點(diǎn)是過零觸發(fā)，無拉弧，動作時間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于繁投切的場合。但也存在以下缺點(diǎn)：①采用雙向晶閘管制造成本高，晶閘管開關(guān)電路的補(bǔ)償柜價格要比采用接觸器的補(bǔ)償柜貴70％～80％左右；②晶閘管開關(guān)電路運(yùn)行時有較大的壓降，運(yùn)行中的電能損耗和發(fā)熱問題不可忽視。以BZMJ0．4－15－3并聯(lián)電容器為例，其額定電流為21．7A，如晶閘管開關(guān)的電壓降為1V時，3個晶閘管開關(guān)電路運(yùn)行時，損耗的功率為：P＝3×1×21．7＝65．1W，如補(bǔ)償柜的無功功率為90kvar，則全部投入時，晶閘管的功率損耗為65．1×6＝390．6W，以每天平均10h計，日耗電量達(dá)3．906kW·h。年耗量約為1426kW·h，有功消耗的發(fā)熱量還會增加整個補(bǔ)償裝置的溫升，而需采用相應(yīng)的散熱降溫的措施，如采用接觸器則基本上不消耗有功；（3）晶閘管電路的本身也是諧波源，大量的應(yīng)用對低壓電網(wǎng)的波形不利。因此，除了對晶閘管開關(guān)電路加以改進(jìn)外，還應(yīng)使之在完成開合閘操作后退出，仍由與之并聯(lián)的接觸器維持電容器的正常運(yùn)行。

4．3　晶閘管和二極管反并聯(lián)的開關(guān)電路

一個晶閘管和一個二極管反并聯(lián)的接線方案如圖4（b）所示。與圖4（a）的接線方案對比，由于相同容量的二極管的價格低于晶閘管，故用一只晶閘管和一只二極管反并聯(lián)的無觸點(diǎn)開關(guān)電路制造成本較低，而技術(shù)性能相近，但反應(yīng)時間則較漫些，切除電容器時，從切除指令的輸出到工作任務(wù)的完成，可以在半周波內(nèi)完成，（即時間t≤10ms）。如采用圖4（b）的方案，由于二級管的不可控性，通常其切除時間要在0．5～1Hz之間，即切除時間t≤20ms。

4．4　等電壓投零電流切的新型無觸點(diǎn)開關(guān)電路

等電壓投零電流切的新型無觸點(diǎn)開關(guān)電路的接線如圖5所示，圖中J為交流接觸器的觸點(diǎn)。其運(yùn)行操作順序說明如下：當(dāng)投入電容器時，先由微電腦控制器發(fā)出信號給開關(guān)電路，使之在等電壓時投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發(fā)信號給接觸器，使其觸點(diǎn)也閉合，將晶閘管開關(guān)電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠(yuǎn)小于開關(guān)電路導(dǎo)通時的電阻，達(dá)到了節(jié)能和延長開關(guān)電路使用壽命的目的。當(dāng)需要切除電容器時控制器先發(fā)信號給接觸器，使接觸器觸點(diǎn)J斷開，此時開關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，并由開關(guān)電路在電流過零時，將電容器切除。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關(guān)電路和接觸器的使用壽命長。

4．5　兩相兩管開關(guān)電路投切的三相Δ形接線電容器組

兩相兩管開關(guān)電路投切三相Δ形接線電容器組的接線如圖6所示。該項投切原理是北京首電科技有限公司的專利技術(shù)，已在我國低壓配電網(wǎng)中獲得廣泛的應(yīng)用，效果是滿意的。

5　智能型自動控制器

5．1　檢測量和控制目標(biāo)

檢測量主要有cosφ、無功功率Q和無功電流Iq三種，80年代中期多選用以cosφ為檢測量的控制器，執(zhí)行手段是投切電容器，補(bǔ)償?shù)淖罱K目的是減少進(jìn)出電網(wǎng)的無功功率。此方案的主要缺點(diǎn)是：輕載時容易產(chǎn)生投切震蕩，重載時又不易達(dá)到充分補(bǔ)償，故新型的控制器已不再選用以cosφ為檢測量。檢測量為Q的控制器，其工作原理是將電壓和電流的信號送入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測出Q＝UIsinφ，由于檢測量和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上是合理的，但檢測難度要大些。檢測量為Iq的控制器，利用了相電壓u由正到負(fù)過零的瞬間，恰好就是A相無功電流最大值Iqmax的原理，用相電壓u負(fù)過零信號控制，采用開關(guān)和簡單的保持電路，以完成對Iq實時檢測。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：檢測方法簡單，不會發(fā)生震蕩，補(bǔ)償效果與電網(wǎng)電壓的波動無關(guān)。

5．2　檢測點(diǎn)的設(shè)置方案

有兩種選擇方案：①控制器輸入電壓和電流信號的檢測點(diǎn)設(shè)在補(bǔ)償設(shè)備的前端，如圖7中的A點(diǎn)處；②檢測點(diǎn)設(shè)在補(bǔ)償設(shè)備后端如圖7中的B點(diǎn)處。

檢測點(diǎn)A由于不能直接檢測負(fù)載的無功功率，不易實現(xiàn)多組電容器的一次快速投切，通常采用逐級漸進(jìn)的投切方式，較慢地達(dá)到應(yīng)補(bǔ)償值，因此僅適用于負(fù)載運(yùn)行較平穩(wěn)，無大容量沖擊負(fù)載，不需要快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)膱龊?。如接于檢測點(diǎn)B，其優(yōu)點(diǎn)是僅根據(jù)負(fù)載Q和Iq測得值，決定電容器投入組數(shù)，是一種只管投切，不控制補(bǔ)償后實際效果的控制方式，其優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡單，可一次快速投切多組電容器，缺點(diǎn)是靜態(tài)補(bǔ)償?shù)木容^差。有關(guān)專家還提出了兼顧兩者優(yōu)點(diǎn)的閉合控制方式，即檢測點(diǎn)設(shè)在A處，檢測補(bǔ)償后的無功功率ΔQ，又通過ΔQ求得負(fù)載的全部無功功率Q，即完全補(bǔ)償時所需投入的全部電容器的無功功率，這種由變動量求總和的設(shè)想，可通過微機(jī)來實現(xiàn)，又因可一次投入應(yīng)投的全部電容器，獲得快速的動態(tài)補(bǔ)償特性，是目前公認(rèn)的比較理想方案。

5．3　對自動控制器性能及質(zhì)量的要求

目前全國大約有200多家企業(yè)生產(chǎn)無功補(bǔ)償自動控制器，其中多數(shù)是技術(shù)水平很低、缺乏較齊全的檢測設(shè)備，生產(chǎn)批量小，質(zhì)量難以保證的家庭作坊式小廠。為了提高自動控制器的技術(shù)性能和可靠性，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T597－1996《低壓無功補(bǔ)償器訂貨技術(shù)條件》，對控制器的基本功能提出以下要求：①應(yīng)具有電容器投入及切除門限設(shè)定值、延時設(shè)定值、過電壓保護(hù)設(shè)定值的設(shè)置功能；②對可按設(shè)定程序投切的控制器，應(yīng)具有投切程序設(shè)置功能；③面板功能鍵的操作應(yīng)有容錯功能；④面板的設(shè)置應(yīng)具有硬件或軟件閉鎖功能。為了提高控制器工作的可靠性還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①控制器應(yīng)有防止在小負(fù)載情況下出現(xiàn)投切震蕩的措施；②合理簡化控制器的電路設(shè)計，元器件數(shù)量越多，電路越復(fù)雜，則控制器的故障率越高；③減少一些控制器本身不必要附加功能，例如自動和手動的切換，電容器故障的報警等功能均應(yīng)由控制器轉(zhuǎn)移到無功補(bǔ)償屏上；④選用質(zhì)量優(yōu)良的單片機(jī)和電子元器件；⑤注意自動控制器抗電磁干擾的能力；⑥合理選擇檢測量和控制方案。

5．4　配電綜合測控儀和無功補(bǔ)償自動控制器一體化

無功補(bǔ)償自動控制器和配電綜合測控儀的一體化問題是城網(wǎng)改造提出的配電網(wǎng)自動化問題，運(yùn)行單位往往要求在配電變壓器的低壓側(cè)同時加裝無功補(bǔ)償?shù)牡蛪弘娙萜骱团潆娋C合測控儀。以北京首電科技研制的SDPD－2000配電綜合測控儀為例，兼具配電變壓器運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄以及無功補(bǔ)償?shù)闹悄芸刂坪捅Ｗo(hù)等兩大功能。數(shù)據(jù)采集的范圍包括：電壓、電流、功率因數(shù)、有功及無功功率、有功及無功電量、諧波電壓、諧波電流，每日電壓和負(fù)載電流的最大值和最小值，停電時刻、來電時刻及累計停電時間，每相過電壓、欠電壓及缺相時間等參數(shù)，數(shù)據(jù)儲存期為2個月。且具有RS232／485通訊接口，可采用現(xiàn)場或遠(yuǎn)程采集的方式。顯示方面采用液晶顯示器，全中文直觀顯示配電變壓器運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)。無功補(bǔ)償智能化控制方面取樣的物理量為負(fù)載的無功功率Q；可對Δ－Y電容器組的任意組合方式進(jìn)行調(diào)節(jié)；防止無功投切震蕩及補(bǔ)償呆區(qū)；當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生過電壓、欠電壓、缺相、諧波或零序電流超標(biāo)及電容器溫升超標(biāo)時，快速切除補(bǔ)償電容器。

6　應(yīng)用實例

以廈門市湖西村一臺400kVA配電變壓器為例，2000年7月8日的運(yùn)行記錄如表1所示。

注：補(bǔ)償后線損降低（ΔPs％）的計算公式：

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