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文章詳情
智能型低壓無功補償技術(shù)方案
日期：2025-12-05 11:18
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摘要：
關(guān)鍵字：低壓無功補償 雙向晶閘管 SVG
在配網(wǎng)中，低壓無功補償對提高電能質(zhì)量，降低線路損失具有重要意義。得到了廣泛應(yīng)用。但無功補償裝置生產(chǎn)廠家眾多，用戶情況千差萬別，不同補償裝置的實際運行效果各不相同，給無功補償?shù)墓芾韼砹撕艽罄щy。結(jié)合實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，就低壓無功補償裝置的三大部分投切開關(guān)、電容器、控制器，以及設(shè)計方案進行了簡單分析和總結(jié)，提出了一些建議供大家共同探討。
1 投切開關(guān)
投切開關(guān)主要包括接觸器、雙向晶閘管、復(fù)合開關(guān)三種方式。
1.1 接觸器
接觸器是使用時間*長，應(yīng)用*廣泛的一種方式。相對于其他方式，其*大的優(yōu)點是價格便宜，因此應(yīng)用*為廣泛。但接觸器在投切電容器時，容易產(chǎn)生較大的涌流，燒毀接觸器的觸點，導(dǎo)致電容器損壞。
接觸器這種方式適用于負(fù)荷相對比較穩(wěn)定，功率因數(shù)變動頻率較低的無功補償，具有良好的效果。
1.2 雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)
這種方式通過檢測電壓的過零點，在上下半波分別控制正反兩支晶閘管的通斷，來投切電容器組。由于是在過零點投人，因此避免了合閘涌流的沖擊，避免了電容器受到過電壓的沖擊。
但此種方式很大的一個問題是散熱。晶閘管在導(dǎo)通后理論上相當(dāng)于短路，需長時間通過額定電流，而實際上晶閘管是存在一個導(dǎo)通壓降 ，一般為1.5 V左右。以一個總補償量為160 kvar的補償柜為例。電容器分為8組，每20 kvar，則A相中流過的電流為52.6 A，每只晶閘管功耗為P=1.5×52.6=78.9 w，兩只晶閘管近160 w。相當(dāng)于點兩只80 w的燈泡。而晶閘管正常工作的殼溫不超過80℃ ，若長時間過熱，可導(dǎo)致晶閘管性能下降直至燒毀。因此必須加散熱器、風(fēng)扇以及溫控繼電器。但是，當(dāng)夏天室外溫度較高，配電室內(nèi)不通風(fēng)，又有變壓器等發(fā)熱源時，裝置的環(huán)境溫度即有可能達到50℃ 以上，即便散熱也很難保證晶閘管溫升小于80℃。在加了散熱器、風(fēng)扇以及溫控回路后，需要的補償柜內(nèi)的安裝空間更大，裝配非常麻煩，可靠性也隨之降低。而且由于晶閘管投切時會產(chǎn)生諧波電流，引起系統(tǒng)諧振后還會被放大，導(dǎo)致晶閘管損壞。
因此，對于類似戶外公變或?qū)Ｗ兿碌臒o功補償柜，以及散熱不好的配電室內(nèi)，盡量不要安裝這種雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)。
1.3 復(fù)合開關(guān)
這是一種融合了接觸器和雙向晶閘管優(yōu)點的新型電容器投切開關(guān)。將接觸器和雙向晶閘管并聯(lián)在一起。其工作原理為利用晶閘管的快速特性作為投切開關(guān)，而接觸器則作為電流持續(xù)通過時的開關(guān)。在需要投入電容器組時，先由晶閘管在電壓過零時投入，防止合閘涌流的產(chǎn)生，然后再投入接觸器，使其處于同晶閘管并聯(lián)工作的狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后再將晶閘管退出，由接觸器承受運行電流;在需要退出電容器組時，先將晶閘管導(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)的連通作用短時內(nèi)由晶閘管獨立承擔(dān);*后切除品閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷。
使用雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)和復(fù)合開關(guān)的補償裝置，由于是采用過零投切，因此使用這兩種方式的補償裝置電容器損壞的幾率較小。對于諧波較重的場合，為防止諧振，若要使用復(fù)合開關(guān)，應(yīng)先考慮濾波。
為保證晶閘管的使用**，通常晶閘管選取的VRSM反向峰值電壓和， 通態(tài)電流至少是它所承受的系統(tǒng)額定電壓和電流的2.5倍，甚至還要高。當(dāng)然也要受成本的限制，雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)和復(fù)合開關(guān)的價格通常是接觸器的3—4.5倍。若參數(shù)再選高，則成本又會急劇增加。
2 電容器
2.1 自愈式并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)特性
目前使用的電容器大都為自愈式并聯(lián)電容器。這類電容器采用金屬化聚丙烯薄膜繞卷而成。這種材料使得電容器在被擊穿短路后，能利用短路產(chǎn)生的熱量將周圍的金屬層熔化蒸發(fā)，使絕緣特性很快得以恢復(fù)，電容器能夠繼續(xù)使用。即具有自愈功能。
實際應(yīng)用中，采用三相角形聯(lián)結(jié)并一體化封裝的結(jié)構(gòu)電容器比較常見。三相角形聯(lián)結(jié)便于自動濾除三次諧波，一體化封裝則便于安裝。這類電容器兩端通常會并聯(lián)一只小電阻，作為電容器的放電回路。要求在電源斷開后30S，電容器兩端電壓小于65 V。另外還可裝設(shè)壓力保險，防止爆炸。
但事實上電容器損壞還是較多，甚至引起事故擴大。其主要原因在于電容器投切時產(chǎn)生的過電壓、過電流以及溫度等。而產(chǎn)生過壓過流的原因則是電容器的投切時間和頻繁動作。
1 投切開關(guān)
投切開關(guān)主要包括接觸器、雙向晶閘管、復(fù)合開關(guān)三種方式。
1.1 接觸器
接觸器是使用時間*長，應(yīng)用*廣泛的一種方式。相對于其他方式，其*大的優(yōu)點是價格便宜，因此應(yīng)用*為廣泛。但接觸器在投切電容器時，容易產(chǎn)生較大的涌流，燒毀接觸器的觸點，導(dǎo)致電容器損壞。
接觸器這種方式適用于負(fù)荷相對比較穩(wěn)定，功率因數(shù)變動頻率較低的無功補償，具有良好的效果。
1.2 雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)
這種方式通過檢測電壓的過零點，在上下半波分別控制正反兩支晶閘管的通斷，來投切電容器組。由于是在過零點投人，因此避免了合閘涌流的沖擊，避免了電容器受到過電壓的沖擊。
但此種方式很大的一個問題是散熱。晶閘管在導(dǎo)通后理論上相當(dāng)于短路，需長時間通過額定電流，而實際上晶閘管是存在一個導(dǎo)通壓降 ，一般為1.5 V左右。以一個總補償量為160 kvar的補償柜為例。電容器分為8組，每20 kvar，則A相中流過的電流為52.6 A，每只晶閘管功耗為P=1.5×52.6=78.9 w，兩只晶閘管近160 w。相當(dāng)于點兩只80 w的燈泡。而晶閘管正常工作的殼溫不超過80℃ ，若長時間過熱，可導(dǎo)致晶閘管性能下降直至燒毀。因此必須加散熱器、風(fēng)扇以及溫控繼電器。但是，當(dāng)夏天室外溫度較高，配電室內(nèi)不通風(fēng)，又有變壓器等發(fā)熱源時，裝置的環(huán)境溫度即有可能達到50℃ 以上，即便散熱也很難保證晶閘管溫升小于80℃。在加了散熱器、風(fēng)扇以及溫控回路后，需要的補償柜內(nèi)的安裝空間更大，裝配非常麻煩，可靠性也隨之降低。而且由于晶閘管投切時會產(chǎn)生諧波電流，引起系統(tǒng)諧振后還會被放大，導(dǎo)致晶閘管損壞。
因此，對于類似戶外公變或?qū)Ｗ兿碌臒o功補償柜，以及散熱不好的配電室內(nèi)，盡量不要安裝這種雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)。
1.3 復(fù)合開關(guān)
這是一種融合了接觸器和雙向晶閘管優(yōu)點的新型電容器投切開關(guān)。將接觸器和雙向晶閘管并聯(lián)在一起。其工作原理為利用晶閘管的快速特性作為投切開關(guān)，而接觸器則作為電流持續(xù)通過時的開關(guān)。在需要投入電容器組時，先由晶閘管在電壓過零時投入，防止合閘涌流的產(chǎn)生，然后再投入接觸器，使其處于同晶閘管并聯(lián)工作的狀態(tài);當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后再將晶閘管退出，由接觸器承受運行電流;在需要退出電容器組時，先將晶閘管導(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)的連通作用短時內(nèi)由晶閘管獨立承擔(dān);*后切除品閘管的觸發(fā)信號，使晶閘管在電流過零時自然關(guān)斷。
使用雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)和復(fù)合開關(guān)的補償裝置，由于是采用過零投切，因此使用這兩種方式的補償裝置電容器損壞的幾率較小。對于諧波較重的場合，為防止諧振，若要使用復(fù)合開關(guān)，應(yīng)先考慮濾波。
為保證晶閘管的使用**，通常晶閘管選取的VRSM反向峰值電壓和， 通態(tài)電流至少是它所承受的系統(tǒng)額定電壓和電流的2.5倍，甚至還要高。當(dāng)然也要受成本的限制，雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)和復(fù)合開關(guān)的價格通常是接觸器的3—4.5倍。若參數(shù)再選高，則成本又會急劇增加。
2 電容器
2.1 自愈式并聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)特性
目前使用的電容器大都為自愈式并聯(lián)電容器。這類電容器采用金屬化聚丙烯薄膜繞卷而成。這種材料使得電容器在被擊穿短路后，能利用短路產(chǎn)生的熱量將周圍的金屬層熔化蒸發(fā)，使絕緣特性很快得以恢復(fù)，電容器能夠繼續(xù)使用。即具有自愈功能。
實際應(yīng)用中，采用三相角形聯(lián)結(jié)并一體化封裝的結(jié)構(gòu)電容器比較常見。三相角形聯(lián)結(jié)便于自動濾除三次諧波，一體化封裝則便于安裝。這類電容器兩端通常會并聯(lián)一只小電阻，作為電容器的放電回路。要求在電源斷開后30S，電容器兩端電壓小于65 V。另外還可裝設(shè)壓力保險，防止爆炸。
但事實上電容器損壞還是較多，甚至引起事故擴大。其主要原因在于電容器投切時產(chǎn)生的過電壓、過電流以及溫度等。而產(chǎn)生過壓過流的原因則是電容器的投切時間和頻繁動作。
2.2 電容器使用壽命
對于使用接觸器作為投切開關(guān)的無功補償裝置，不宜頻繁進行電容器的投切。否則，投切時所產(chǎn)生的過電壓和沖擊電流將對電容器造成危害，縮短使用壽命。
一般認(rèn)為，電壓升高10% ，自愈式金屬化并聯(lián)電容器壽命降低一半。具體可用下式表示：
式中：U0—— 額定電壓;
r—— 額定電壓下的使用壽命;
U— — 實際施加電壓;
r0—— 過電壓下的使用壽命;
α—— 常數(shù)，一般取7—9。
而且投入電容器所產(chǎn)生的過電壓，雖然是瞬時的，但對絕緣介質(zhì)的影響卻能夠累積。
3 智能無功控制器
智能無功控制器的作用是采集相關(guān)的電壓、電流，依照一定的控制策略，通過投切電容器組以實現(xiàn)控制目標(biāo)。通常的控制目標(biāo)為：功率因數(shù)、電壓、無功功率或無功電流。大多數(shù)廠家產(chǎn)品的控制目標(biāo)一項可通過定值設(shè)定，也可同時設(shè)定功率因數(shù)、電壓。
控制器應(yīng)盡量滿足DL/T597—1996（（低壓無功補償控制器訂貨技術(shù)條件》、JB/T9663《低壓無功功率自動補償控制器》等推薦標(biāo)準(zhǔn)中的各項要求。在實際應(yīng)用中，根據(jù)用戶情況以下功能應(yīng)重點考濾。
3.1 過壓、過流的保護功能
電壓、電流越限定值可設(shè)定。在電壓、電流越限時可斷開電容器。這樣可避免電容器受到?jīng)_擊，過早損壞。若具有諧波超標(biāo)保護功能，則能避免諧振的影響，對電容器也會起到很好的保護。另外，投切時間的設(shè)置應(yīng)能滿足電容器完全放電的時間要求。
當(dāng)然，若元件損壞的損失小于無功補償不夠的損失另當(dāng)別論。
3.2 輕載自動識別
對于負(fù)載很輕的時候，很可能投入一組電容器就過補，退出就欠補，形成振蕩投切。控制器應(yīng)能很容易地解決此問題。用戶也可視情況通過改小電容器容量。設(shè)置目標(biāo)功率因數(shù)來解決。
對于使用接觸器作為投切開關(guān)的無功補償裝置，不宜頻繁進行電容器的投切。否則，投切時所產(chǎn)生的過電壓和沖擊電流將對電容器造成危害，縮短使用壽命。
一般認(rèn)為，電壓升高10% ，自愈式金屬化并聯(lián)電容器壽命降低一半。具體可用下式表示：
式中：U0—— 額定電壓;
r—— 額定電壓下的使用壽命;
U— — 實際施加電壓;
r0—— 過電壓下的使用壽命;
α—— 常數(shù)，一般取7—9。
而且投入電容器所產(chǎn)生的過電壓，雖然是瞬時的，但對絕緣介質(zhì)的影響卻能夠累積。
3 智能無功控制器
智能無功控制器的作用是采集相關(guān)的電壓、電流，依照一定的控制策略，通過投切電容器組以實現(xiàn)控制目標(biāo)。通常的控制目標(biāo)為：功率因數(shù)、電壓、無功功率或無功電流。大多數(shù)廠家產(chǎn)品的控制目標(biāo)一項可通過定值設(shè)定，也可同時設(shè)定功率因數(shù)、電壓。
控制器應(yīng)盡量滿足DL/T597—1996（（低壓無功補償控制器訂貨技術(shù)條件》、JB/T9663《低壓無功功率自動補償控制器》等推薦標(biāo)準(zhǔn)中的各項要求。在實際應(yīng)用中，根據(jù)用戶情況以下功能應(yīng)重點考濾。
3.1 過壓、過流的保護功能
電壓、電流越限定值可設(shè)定。在電壓、電流越限時可斷開電容器。這樣可避免電容器受到?jīng)_擊，過早損壞。若具有諧波超標(biāo)保護功能，則能避免諧振的影響，對電容器也會起到很好的保護。另外，投切時間的設(shè)置應(yīng)能滿足電容器完全放電的時間要求。
當(dāng)然，若元件損壞的損失小于無功補償不夠的損失另當(dāng)別論。
3.2 輕載自動識別
對于負(fù)載很輕的時候，很可能投入一組電容器就過補，退出就欠補，形成振蕩投切。控制器應(yīng)能很容易地解決此問題。用戶也可視情況通過改小電容器容量。設(shè)置目標(biāo)功率因數(shù)來解決。
3.3 電流判相功能
由于電流互感器的電流接線會影響裝置對功率方向的判斷，為方便接線及設(shè)備維護，控制器應(yīng)能自動識別電流方向。
3.4 電磁兼容性能強
由于處于典型的工業(yè)環(huán)境中，智能無功控制器應(yīng)完成靜電干擾、快速瞬變脈沖群抗干擾、浪涌等電磁兼容型式試驗項目，試驗等級應(yīng)為3級。在無功補償柜集中招標(biāo)中，對控制器應(yīng)明確提出此要求。
對于直接暴露于大容量變壓器等強電磁干擾環(huán)境中的控制器若出現(xiàn)顯示花屏、無故復(fù)位等問題時，有理由懷疑為電磁干擾?？煽紤]更換控制器，增加屏蔽或在裝置電源回路中串人濾波器等措施來解決。
4 方案設(shè)計
在低壓無功補償方案設(shè)計中，應(yīng)對用戶的負(fù)荷情況進行仔細分析研究，尤其是對工況特殊的用戶。裝置選擇上應(yīng)遵循技術(shù)可靠，運行業(yè)績良好，經(jīng)濟適用的原則?，F(xiàn)舉兩個實例予以說明。
4.1 一紡織廠進行無功補償改造
變壓器容量為315 kVA，補償容量為8組25 kvar。*初采用雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)。使用不到三個月即發(fā)現(xiàn)晶閘管損壞。在對元件進行更換后不到2個月，再次發(fā)生晶閘管大面積損壞。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，用戶負(fù)荷中5次諧波電流占總電流12.6% ，嚴(yán)重時電容會發(fā)生尖叫。。諧波源來自于廠內(nèi)的織機。懷疑為諧波引發(fā)諧振導(dǎo)致晶閘管損壞。
后晶閘管送廠家檢驗后也證明為過電流損壞。向用戶推薦加裝濾波裝置，但用戶認(rèn)為一次性投資太大，不予采納，寧愿接受每月罰款和元件更換。后再次對無功補償柜改造，將雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)改為接觸器。改造后也曾出現(xiàn)接觸器觸點燒毀，電容器損壞等情況，但相比晶閘管損壞頻率降低。
4.2 一電機生產(chǎn)廠搬遷用電改造
原變壓器容量為315 kVA，補償容量為15 kVA固定補償，8組25 kvar循環(huán)投切，采用接觸器投切。后變壓器容量改為500 kVA，無功補償未變，計量表計改為三相三線電子式多功能電能表。結(jié)果發(fā)現(xiàn)倒送無功，功率因素僅0.36。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廠內(nèi)現(xiàn)僅余辦公負(fù)荷，無其他生活用電15 kvar。
固定補償容量太大，因為老的計量表是止逆的，即便有無功倒送也不能發(fā)現(xiàn)。新表則表示得很清楚。將固定補償容量改為5 kvar后正常。
5 結(jié)語
無功補償中，要想經(jīng)濟可靠地完成補償，方案設(shè)計具有重要作用，但需要對用戶的實際情況進行詳細分析，針對具體工況選擇適當(dāng)?shù)难b置。在使用方式確定后，裝置生產(chǎn)廠家都能制定參數(shù)明確的技術(shù)方案，對同類產(chǎn)品綜合比較后應(yīng)能得到較好的達到補償效果，實現(xiàn)*大的綜合經(jīng)濟效益。
由于電流互感器的電流接線會影響裝置對功率方向的判斷，為方便接線及設(shè)備維護，控制器應(yīng)能自動識別電流方向。
3.4 電磁兼容性能強
由于處于典型的工業(yè)環(huán)境中，智能無功控制器應(yīng)完成靜電干擾、快速瞬變脈沖群抗干擾、浪涌等電磁兼容型式試驗項目，試驗等級應(yīng)為3級。在無功補償柜集中招標(biāo)中，對控制器應(yīng)明確提出此要求。
對于直接暴露于大容量變壓器等強電磁干擾環(huán)境中的控制器若出現(xiàn)顯示花屏、無故復(fù)位等問題時，有理由懷疑為電磁干擾?？煽紤]更換控制器，增加屏蔽或在裝置電源回路中串人濾波器等措施來解決。
4 方案設(shè)計
在低壓無功補償方案設(shè)計中，應(yīng)對用戶的負(fù)荷情況進行仔細分析研究，尤其是對工況特殊的用戶。裝置選擇上應(yīng)遵循技術(shù)可靠，運行業(yè)績良好，經(jīng)濟適用的原則?，F(xiàn)舉兩個實例予以說明。
4.1 一紡織廠進行無功補償改造
變壓器容量為315 kVA，補償容量為8組25 kvar。*初采用雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)。使用不到三個月即發(fā)現(xiàn)晶閘管損壞。在對元件進行更換后不到2個月，再次發(fā)生晶閘管大面積損壞。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，用戶負(fù)荷中5次諧波電流占總電流12.6% ，嚴(yán)重時電容會發(fā)生尖叫。。諧波源來自于廠內(nèi)的織機。懷疑為諧波引發(fā)諧振導(dǎo)致晶閘管損壞。
后晶閘管送廠家檢驗后也證明為過電流損壞。向用戶推薦加裝濾波裝置，但用戶認(rèn)為一次性投資太大，不予采納，寧愿接受每月罰款和元件更換。后再次對無功補償柜改造，將雙向晶閘管構(gòu)成的無觸點開關(guān)改為接觸器。改造后也曾出現(xiàn)接觸器觸點燒毀，電容器損壞等情況，但相比晶閘管損壞頻率降低。
4.2 一電機生產(chǎn)廠搬遷用電改造
原變壓器容量為315 kVA，補償容量為15 kVA固定補償，8組25 kvar循環(huán)投切，采用接觸器投切。后變壓器容量改為500 kVA，無功補償未變，計量表計改為三相三線電子式多功能電能表。結(jié)果發(fā)現(xiàn)倒送無功，功率因素僅0.36。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，廠內(nèi)現(xiàn)僅余辦公負(fù)荷，無其他生活用電15 kvar。
固定補償容量太大，因為老的計量表是止逆的，即便有無功倒送也不能發(fā)現(xiàn)。新表則表示得很清楚。將固定補償容量改為5 kvar后正常。
5 結(jié)語
無功補償中，要想經(jīng)濟可靠地完成補償，方案設(shè)計具有重要作用，但需要對用戶的實際情況進行詳細分析，針對具體工況選擇適當(dāng)?shù)难b置。在使用方式確定后，裝置生產(chǎn)廠家都能制定參數(shù)明確的技術(shù)方案，對同類產(chǎn)品綜合比較后應(yīng)能得到較好的達到補償效果，實現(xiàn)*大的綜合經(jīng)濟效益。
