無功補償裝置的應用

1 低壓無功補償裝置及其工作原理

　　1.1MSC裝置的投切

　　采用機械開關投切電容器的無功補償裝置(MSC)，即通過控製器取樣，電容式交流接觸器(或斷路器)作為電容器的投切元件，熔斷器(或微型斷路器)、熱繼電器作為保護的一種並聯電容器補償裝置，可以手動投切或自動投切。自動投切是由控製器以無功功率(或無功電流等)為物理量，通過循環投切(先接通的先分斷，後分斷的後接通)方式控製電容器的投切。因電容器的初始電壓為0，在交流接觸器觸點閉合的瞬間，電網的電壓極少為0，但電容器的電壓不能突變，因而產生非常大的電流衝擊即合閘湧流。根據試驗表明，電容式交流接觸器的合閘湧流一般是電容器額定電流的20倍左右。同時，由於交流接觸器不能在短時間內頻繁投切，使得該種無功補償有級的、定時的，補償裝置的響應時間一般大於10s，且頻繁地投切使交流接觸器的觸頭受電弧作用而損壞，增大運行維護工作量。

　　1.2TSC裝置的投切

　　近年來隨著電子工業的不斷發展，出現了集微機、電子、機電為一體的新產品——TSC無功補償裝置，即投切回路中由晶閘管替代電容式交流接觸器投切電容器。TSC無功補償裝置的原理是：自動補償控製器通過對電網無功電流的快速檢測，經比較、判斷後以編碼工作方式向晶閘管發出通斷信號，進行投切控製，控製回路接到通斷信號後采用過零觸發電路投切電容器，即電路檢測到施加在晶閘管兩端的電壓為零時，發出觸發信號使晶閘管導通;當電路檢測到晶閘管為零電流時斷開晶閘管。從理想狀態上講，當電容器的電壓與電網電壓相等時，不會產生合閘湧流，解決了電容式交流接觸器投切產生的合閘湧流問題，在實際使用過程中用晶閘管投入電容器時其合閘湧流也都可以控製在3倍額定電流以內，其補償裝置的響應時間為100ms以內(*快可達20ms)。但是使用TSC無功補償裝置也存在以下缺點：

　　(1) 晶閘管導通時會產生1V左右的管壓降，通常30kvar三角形接法的電容器，額定電流為43A，則一個晶閘管所消耗的功率為43W，以每天平均10h計，一個晶閘管日耗電量就達0.43kW。這些消耗的功率都轉變成熱能使得電櫃的溫度升高。

　　(2) 晶閘管有漏電流存在，當未接電容時，即使晶閘管未導通，其輸出端也是高電壓。

　　(3)TSC電路本身也是諧波源，大量的應用對低壓電網的波形不利。

　　(4)TSC無功補償裝置的成本高，一般其不錯櫃的價格比采用MSC無功補償裝置的補償櫃貴70%-80%。

　　1.3MSC+TSC裝置的投切

　　針對上述TSC無功補償裝置存在的一些缺點，生產廠家又設計出晶閘管+交流接觸器組合(MSC+TSC)的有觸點無功補償裝置(即複合開關)。其工作原理與TSC無功補償裝置的工作原理相同。工作方式有所區彆：將交流接觸器與晶閘管並聯，仍采用過零觸發電路。檢測到施加在晶閘管兩端的電壓為零時，即發出觸發信號使晶閘管導通，在晶閘管導通的10個周波後，才發信號使交流接觸器閉合;再10個周波後才斷開晶閘管。此後晶閘管推出運行，由交流接觸器接通補償回路。當自動補償控製器檢測到需要切除電容器時，先將晶閘管導通，待10個周波後發信號斷開交流接觸器，再10個周波後才將晶閘管斷開，電容器完全從補償回路中切除。這種MSC+TSC的無功補償裝置解決了TSC無功補償裝置在使用中出現的因功率損耗引起電櫃發熱嚴重等問題，又解決了使用電容式交流接觸器投切電容器產生的合閘湧流問題。因在投切過程中使用了交流接觸器，降低了無功補償的響應時間，一般為0.5s左右。

　　2 三種無功補償裝置在實際中的應用

　　通過對以上三種無功補償裝置性能的了解，在實際工作中就要認真分析用戶的用電負荷特性，根據不同用電負荷選用不同的無功補償裝置。

　　2.1MSC裝置的應用

　　以連續工作製為主的工業企業，主要用電設備長期運行，用電負荷特性平穩，電動機啟動時，功率因數低，一旦電動機達到額定轉速時，自然功率因數較高(0.75~0.8)，無功負荷變化小。類似這類特性的負荷，在做配電設計時，一般就選用MSC無功補償裝置，並將其安裝在低壓配電室內進行集中補償。針對MSC無功補償裝置存在的缺點，一般采取以下措施：

　　(1) 選用額定容量較大的電容式交流接觸器，如用額定電流40A的交流接觸器投切15kvar的三相電容器。

　　(2) 電容器串接0.1%~1%的電抗器以抑製湧流。如某絲織廠供電總容量1250Kva，主要有2個車間(計算功率分彆為330kW、自然功率因數為0.75)，為三班工作製，主要用電負荷為連續工作製電動機，三相負載基本平衡。根據供電局要求，補償後功率因數達0.9以上。根據該廠的負荷特性，實行以下方案：在每個車間配電房安裝MCS無功補償裝置進行集中補償，要求能手動、自動投切。每個車間補償總容量為210kvar，每組補償容量15kvar，共14組;采用循環投切方式;交流接觸器額定電流為40A，熔斷器和熱繼電器的額定電流均為32A。工程投入運行後，通過工程跟蹤得知：每月可獲得功率因數獎勵接近3000元。由於無功量較穩定，在實際運行過程中電容器投切次數較少，故障、維修量並不高，使用壽命也相應增長，維修成本降低。

　　2.2TSC裝置的應用

　　對於一些特殊行業，如壓延廠、金加工車間中含有大量衝擊機床、紮鋼機、電焊機等，其符合的特點是衝擊性符合的容量較大、負荷的電流瞬時變化很大，負荷衝擊強、無功負荷瞬時變化大，而且這種負荷一般諧波含量較高。在這種情況下，若采用MSC無功補償裝置，電容器根本無法投入運行，不是電容器損壞就是交流接觸器燒毀。若選用TSC無功補償裝置，就可以取得很好的補償效果。在選用TSC無功補償裝置時，要求晶閘管的耐壓必須大於電容器耐壓的3倍，以保證晶閘管工作的穩定性;在測得無功補償裝置接入電網處的背景諧波的確定值後，串聯相應電抗率的電抗器以抑製該次諧波;在電容器容量的配置上，一般為不等量配置並采用編碼方式控製電容器的投切，以提高無功的補償度。佛山市某壓延廠新上一條生產線，新裝變壓器容量為1000kVA，自然功率因數在0.6以下，負荷衝擊強、無功量瞬時變化大，根據其負荷特性決定實施以下方案：在車間配電室內進行集中補償，采用TSC無功補償裝置，總補償容量為330kvar，共分12組(1組20kvar、1組20kvar、10組30kvar)，采用編碼投切方式。壓延廠設備中已自帶消諧濾波裝置，所以補償回路中不再串聯電抗器。補償櫃的頂部和車間配電室內加裝通風管、排風扇以解決晶閘管的發熱問題，熔斷器(斷路器)的額定電流仍按電容器額定電流的1.5倍選用。該條生產線投運以後，功率因數能達到0.96以上，節能效果顯著，廠家非常滿意，又決定將原來的兩條生產線的補償裝置改為TSC無功補償裝置。

　　2.3MSC+TSC裝置的應用

　　高層住宅區、大型商場、寫字樓等用電場所既存在較多的單相負荷又有電梯、空調等動力負荷。空調負荷季節性強，一般都由獨立變壓器供電，負荷電流平穩、無功負荷變化小，無功補償選用MSC無功補償裝置即可。單相負荷與電梯等動力負荷一般由同一變壓器供電，這類負荷采用混補的補償方式(可將80%的補償容量作三相補償，20%的用於單相補償)可取得較好的補償效果。補償裝置選用MSC+TSC無功補償裝置，同樣要求晶閘管的耐壓必須大於電容器耐壓的3倍，編碼投切方式，熔斷器(斷路器)的選用原則不變。△-Y共補與分補相結合的接線：三相共補部分的電容器為△接線、其單台電容器的額定電壓為440V，容量為10、15、20、30kvar;三相分補部分的電容器為Y接線，其單台電容器的額定電壓為230V，容量為4、5、6、8、10kvar。如某物業管理公司反映其每個月功率因數罰款達二千多元，住戶意見很大。在現場勘察時發現該小區的無功補償采用MSC無功補償裝置，但並未投入。原來，該小區屬高層建築小區，白天和夜間照明負荷很小，主要是電梯負荷(啟動頻繁、運行時間短)，MSC無功補償裝置既不能滿足補償度的要求，又由於頻繁投切使交流接觸器故障率很高，運行維修量很大，小區的電工乾脆將補償櫃退出運行。該小區現有2台800kVA配變，要求功率因數達0.9以上。根據該用戶的負荷特點，選用MSC+TSC無功補償裝置、編碼投切方式。考慮到小區內電視機、電腦等設備較多，故在補償回路中串聯了0.5%的電抗器。通過計算每台變壓器的補償容量為270kvar，其中210kvar用於三相共補，60kvar用於三相分補。雖然采用混補工程造價會有所提高，但該套補償裝置投入使用後，小區物業公司反映補償效果明顯。

　　3 結語

　　MSC無功補償裝置、TSC無功補償裝置與MSC+TSC無功補償裝置各具優缺點，TSC無功補償裝置、MSC+TSC無功補償裝置是MSC無功補償裝置的補充。在無功負荷比較穩定、不需要頻繁投切電容器進行補償的電力用戶，選用MSC無功補償裝置即可滿足技術上的要求;對於無功補償瞬時變化大、需快速、頻繁投切電容補償的電力用戶，則必須使用TSC無功補償裝置或MSC+TSC無功補償裝置，方能達到應有的補償效果。