低壓電網電能質量監控及無功功率補償

一、前言

近年來，在城鄉電網改造的實施過程中，低壓並聯電容器無功補償裝置的設計方案有了重大的改進和突破，尤其是近兩年國家對電網質量的嚴格要求，使得單純的低壓並補發展到抑製諧波型並補和專業的低壓動態濾波器TSC，並取得了滿意的運行效果。對提高供電電壓質量，挖掘供電設備的潛力、降低線路損失及節能均起到積極的作用。本文就我公司電能質量監控及無功自動補償裝置開發中的若乾技術問題和發展方向進行討論，以供參考。

二、低壓補償的改進

低壓無功補償的傳統模式主要有以下三種型式：

①   裝於低壓電動機旁的單台就地補償；

②   裝於配電變壓器低壓側的補償箱及柱上式補償裝置；

③   裝於企業配電房或車間、箱變內及高層建築樓層配電間的自動補償櫃（如*早的PGJ櫃，以及後來的GGD、GCK等）。

根據我公司低壓補償裝置的發展情況，在此對單台就地補償問題不作討論。低壓補償箱和補償櫃的技術改進和新技術應用歸納起來主要有以下幾個方麵：

（1）由三相共補到分相補償，以求達到更理想的補償效果；

（2）由靜態補償發展到動態補償；

（3）智能型自動補償控製器和配電變壓器的運行記錄儀相結合；

（4）將低壓補償的功能納入歐式箱變及美式箱變的低壓部分；

（5）采用不鏽鋼或複鋁鋅板的箱體，具有防寒、防曬、密封、防潮、防火、防鏽等特點；

（6）選用微晶蠟介質或乾式及充SF6的自愈式並聯電容器，提高了運行的可靠性，並延長了使用年限；

（7）由單一的無功補償到同時具有濾波及抑製諧波功能的補償裝置。

三、三相共補及分相補償結合的接線

（一）三相共補的接線（△）

傳統的低壓補償都是采用三相共補的方式，它是根據控製器統一取樣判斷，各相投入相同的補償容量，接線如圖1所示。此方式適用於三相負載基本平衡，各相負載的 中相近的網絡。一般電容器都選用△接線，額定電壓為400V。

（二）三相分補的接線（Y）

三相分補方式就是各相分彆取樣，各相分彆投入不同的補償容量，接線如圖2所示。此方式適用於三相負載不對稱，其 中值也有較大差彆場合。一般電容器都選用Y接線，額定電壓為230V。

（三）三相共補及分相補償結合的接線（△－Y）

此方式是前兩者的結合，即三相共補與三相分補相結全的接線方式，接線如圖3所示。三相共補部分的電容器為△接線，三相分補部分的電容器為Y接線，此方式適用於各種網絡。這種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活。

（四）對三種接線方式的探討

（1）從補償效果來看：三相共補及分相補償結合的接線（△－Y）的效果*好，*靈活；三相分補接線（Y）效果較差；三相共補接線（△）效果*差。

（2）從經濟角度來看：三相共補接線（△）的價格*經濟；三相共補及分相補償結合的接線（△－Y）的價格較貴；三相分補接線（Y）的價格*貴。其原因是：

額定電壓400V的自愈式電容器的價格比同容量額定電壓230V的電容器便宜得多，這是由於原材料價格的原因和400V電容器極間工作電場強度較高的緣故。以400V的電容器為例，用厚8µM金屬化膜時，工作場強為50KV／MM，如用厚7µM金屬化膜時，工作場強為57～58KV／MM；而230V電容器，如要維持與上述的工作場強相近時，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，所以對230V電容器一般是采取降低工作場強的設計，按照國內市場上的通常價格，同容量的230V電容器的價格是400V電容器價格的2倍以上。所以在三相共補及分相補償結合的接線（△－Y）中，對於分相補償部分有時也選用400V△接電容器，這時電容器實輸出容量是其銘牌上額定容量的1／3。這樣做的目的是由於400V的產品比較便宜，即使實際容量比額定容量下，但由於工作場強低，壽命長，且整個裝置隻用一個規格的電容器，互換性強等優點。

四、並聯電容器的投切元件

（一）交流接觸器

20世紀70～80年代廣泛應用的PGJ補償櫃，都是采用交流接觸器作為投切元件，迄今仍沿用。這是我公司低壓補償裝置的代產品，如圖4（A）所示。其優點是：使用專用於電容投切的接觸器帶有抑製湧流裝置，不用加裝電抗器就能將合閘湧流峰值限製在額定電流的20倍以下，能有效地抑製合閘湧流對電容器的衝擊和抑製開斷時的過電壓。體積較小，價格低。

其缺點是：

①投入電容時產生倍數較高的湧流，容易在接觸器的觸點處產生火花，燒損觸頭；

②切斷電容時，容易粘住觸頭，造成拉不開；

③湧流過大對電容器本身有害，影響使用壽命。

（二）可控矽（雙向晶閘管）

采用雙向晶閘管的無觸點開關電路取代交流接觸器，是我公司低壓補償裝置的**代產品，如圖4（B）所示。其優點是：充分利用可控矽的優良特性，響應及時迅速，實現了對電容的等電位投入，零電流切除。徹底克服了普通交流接觸器等機械點投切電力電容器時湧流大、電壓衝擊大、打火、振動等缺點。

其缺點是：

①成本高，是采用接觸器投切的補償櫃貴70％～90％；

②可控矽開關電路運行時有較大的壓降，運行中的電能損耗和發熱問題不可忽視。以BSMJ0.4－30－3並聯自愈式電容器為例，基額定電流為43.3A，目前做得*好的可控矽並關的電壓降也隻能為1V，如果不3個可控矽開關電路運行時，損耗的功率為：P＝3×1×43.3＝129.9W，如補償櫃的無功功率為90KVAR，則全投入時，可控矽的功率損耗為P＝129.9×3＝389.7W，以每天平均10小時計，日耗電量達3.897KW•H，年耗量約為1423KW•H。有功消耗的發熱量還會增加整個補償裝置的溫升，必須采用相應的散熱降溫的措施，如采用接觸器基本上不消耗有功；

③可控矽電路本身也是諧波源，大量的應用會對低壓電網的波形不利。

（三）晶閘管和二極管反並聯的開關電路

晶閘管和二極管反並聯的開關電路是由一個晶閘管和一個二極管反並聯的接線方案。我公司不采用此方式。此方案與4.2方案技術性能相近，但反應時間較慢。

（四）複合開關

複合開關是我公司第三代產品，如圖4（C）所示是前兩者的結合體。其運行操作順序如下：當投入電容時，先由微電腦控製器發出信號給開關電路（可控矽），使之在等電壓時投入電容器，微電腦控製器緊接著又發信號給接觸器，使其觸點也閉合，將可控矽開關電路短路，由於接觸器閉合後的接觸電阻遠小於開關電路導通時的電阻，從而達到了節能和延長可控矽使用壽命的目的；當需要切除電容器時微電腦控製器先發信號可接觸器，使接觸器斷開，此時可控矽電路處於導通狀態，並由開關電路在電流過零時切除。其優點是：運行功耗低、湧流小、諧波影響小、成本低、壽合長。其缺點是：容量小，目前*大額定電流隻有80A（限集成式）。

五、智能型自動控製器

（一）檢測量和控製目標

檢測量主要有、無功功率Q和無功電流IQ三種，20世紀70～80年代多選用以為檢測量的控製器，此方案在輕載時容易產生投切震蕩，重載時又不易達到充分補償；目前新型的控製器已不再選用以為檢測量。檢測量為Q的控製器，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，由於檢測量和控製目標都是同一物理量，技術上是合理的，但檢測難度要大些。檢測量為IQ的控製器，利用了相電壓U由正到負過零的瞬間，恰好就是A相無功電流*大值IQMAX的原理，用相電壓U負過零信號控製，采用開關和簡單的保持電路，以完成對IQ實時檢測；這種方案檢測方法簡單，不會產生震蕩，補償效果與電網電壓的波動無關。

（二）諧波型智能控製器

它與普通的控製器的接線都是一樣，是控製器和配電綜合電能測控儀的結合體。

具有自動／手動／遠控切換方式（遠控通過尺5232通訊口與計算機相聯並用計算機控製投切，配有後台軟件），諧波電流、諧波電壓監測，過壓、欠壓保護，其整定值可調，時間0～5分可調，輸出接點容量不小於5A。220V／支路。

1．按電網無功需求量，電流電壓、功率因數自動轉換。

2．取樣信號：電壓380V（UAC）電流5A。

3．投切延時0～10分種可調節，既能順序投切又能編碼投切。

4．顯示投切路數

5．顯示部分：功率因數、無功、有功、電壓、功率因數設定值、過電壓設定值、投切延時時間、時間日期等常規數據。

6．帶記憶儲存：自動記錄每組電容器的運行時間和投切次數；設置參數不怕掉電、數據記錄保存。

諧波型的與普通型的不同在於，投切順序的不同。普能型的隻是依次循環投切。諧波型的，如控製10路，H5、H7、H11。控製路數為：10路。具體分為3組，即5次通道為組（1、2、3），7次通道為**組（4、5），11次通道為第三組（6、7、8、9）。注：要求在一（1、2、3），二（4、5），三（6、7、8、9）組中分彆為循環順序投切，先投先切。

投切方式為：投入時，由低次向高次投，即依次投1、2、3、4、5、6、7、8、9；切除時，由高次向低次切除，即依次切6、7、8、9、4、5、1、2、3（6、7、8、9為循環順序投切，4、5為循環順序投切，1、2為循環順序投切）

六、根據使用環境不同，對補償裝置的選擇

根據我公司遇到的情況及經驗，我們對低壓無功自動補償裝置的選擇提出以下考意見：

1．根據網絡情況選擇不同接線的補償方式。

2．分配補償容量以細為原則。即每級容量越小越好。

3．根據使用環境不同，作有針對性的選擇。對有諧波汙染的係統應采用具有濾波及抑製諧波功能的補償裝置；對諧波汙輕的係統可采用具有抑製諧波功能的補償裝置即可。

4．選型指南

（1）補償容量的確定

補償容量的確定可以根據負荷的*大功率、補償前的功率因數及要求補償後達到的功率因數，用下式計算確定：

式中：

Q—所需補償的總無功功率，KVAR；

Q—平均負荷係數，取0.7～0.8；

P—用戶*大負荷，KW；

Φ1—補償前平均功率因數角

Φ2—補償後平均功率因數角

或

Q—補償率，KVAR／KW（可從附表中查取）

附表：每KW負荷所需無功補償率值查取表

（2）控製器類型的選擇

型號	控製類型	簡介
KYWK-1000	智能無功補償控製器	智能無功補償控製器，適用於低壓配電係統電容器補償裝置的自動調節，使功率因數達到用戶預定狀態，提高電力變壓器的利用效率，減少線損，改善供電的電質量。
KYWK-2000	無功補償微電腦控製器	以高速高性能的微處理器為核心器件同時取樣三相電壓三相電流信號，並提供6種分補+共補補償方案，12種投切編碼方案，用戶可通過修改控製參數任意選擇，控製參數一經修改長久保存，掉電不丟失。采用基波功率因數和基波無功功率複合控製電容器組的投切，投切穩定，無投切震蕩，對電壓諧波，電流諧波乾擾不敏感。適用於交流45Hz-65Hz、0.4KV以下電力係統無功功率補償的自動控製。本控製器可同時控製2台輔櫃，如需2台以上控製器同時使用（共用同一取樣信號）時，電流信號應為串聯。
KYWK-5000	電能質量微電腦控製器	采用16位單片微處理器芯片、采用了多任務操作係統內核，雙核準並行處理速度，貼電技術，海量存儲，內存無限量升級，交流采樣技術、LED中文顯示，四象限分析等技術，實現了實時數據采集、通訊、電量統計、曆史數據存儲、故障報警、電網諧波分析等功能，可以直接連接電腦，進行聯機操作。 應用於中、低壓配電網，安裝於配電屏中的進線櫃或出線櫃屏麵上，用以監測配電變壓器、配電線路運行狀態和電能質量的檢測、分析等功能。為有效地提高供電電壓質量、提高配電網絡的**穩定及經濟運行提供手資料。
KYWK-6000	高壓無功補償控製器	采用32位ARM微處理器芯片、多任務操作係統內核。海量存儲，交流采樣技術、LCD中文顯示，四象限分析等技術，實現了實時數據采集、通訊、曆史數據存儲、故障報警、電網諧波分析、無功補償等功能，可以控製多達16路電容組、16路開關量監測，可以直接連接電腦進行聯機操作。 主要應用於高壓配電網，監測配電變壓器、配電線路運行狀態和補償電網無功，根據無功功率大小，功率因數和電壓範圍，自動控製電容器投切進行補償，有效地提高供電電壓質量、提高配電網絡的**穩定及經濟運行水平。