低压无功补偿装置结构革新及其若干问题分析

　　摘要:本文分析了目前社会普遍使用低压无功自动补偿装置的现有结构模式存在的问题，提出了低压无功补偿器智能化的具体结构和基本功能；并对设计方案中若干技术问题如补偿方式的选择、主接线方案、晶闸管开关电路、智能型自动控制器等加以分析。
　　关键词：结构变革；智能型；低电压；无功补偿；技术方案
　　前言:
　　低压无功自动补偿装置的使用能够降低供配电设备电能损耗、提高供配电设备利用率，并在一定程度上改善供配电电能的电压质量，因此历来受到供电企业和用电客户的高度重视，受到非常广泛的应用。
　　1低压无功自动补偿装置结构革新
　　1.1目前社会普遍使用低压无功自动补偿装置结构分析
　　传统低压无功自动补偿装置结构如下图1所示
　　图中C1～Cn：低压电力电容器组；
　　KA：交流接触器，投切低压电力电容器；
　　FU：熔丝，电流保护之用；
　　L：电感，电容器投运瞬间限流；
　　R：电阻，电容器退运放电之用。
　　
　　
　　图1传统低压无功自动补偿装置结构图
　　近几年来，低压无功自动补偿装置的技术在不断进步中，但这些进步主要表现为改进、提高或者完善图1中所示的各种部件的性能、质量，而没有改变装置的结构形式。
　　传统低压无功自动补偿的这种结构模式主要存在如下不足：
　　（1）实现电容器过温、三相不平衡、断相保护以及故障自诊断等进一步智能化困难；
　　（2）控制器是整个装置可靠性的瓶颈，一旦故障，则整台装置停止工作；
　　（3）容量的可扩性差，产品一旦形成，容量的扩展十分困难；
　　（4）设备的可维性差，故障的现场快速诊断和处理比较困难；
　　（5）产品结构复杂、体积庞大，不易标准化、规范化，生产的流水化困难，生产成本较高。产品不便于远距离运输，生产厂家均在用户附近，不能形成规模化生产，影响了产品的质量。
　　1.2、低压电力电容器智能化方法
　　低压电力电容器智能化就是降低压电力电容器设计成一种高度智能化的低压无功自动补偿的单体装置，可以将其积木式简单组装成各种形式的低压无功自动补偿装置。
　　下图2所示是低压电力电容器智能化的一种方法：
　　
　　
　　快速断路器总电源接入端、总开关、电流速切总保护。
　　智能组件智能化载体
　　配电电压测量和配电功率因素测量的电压取样，以及过压、欠压、失压保护取样。
　　零投切开关电器组件投、退电容器开关以及电容器过压、欠压、失压、过流、断相、三相不平衡、过温等保护出口。
　　微型CT电容器电流测量取样以及电容器过流、断相、三相不平衡保护取样。
　　微型温度传感器电容器温度测量与保护取样。
　　低压电力电容器容性负载，补偿配电线路中的感性负载。
　　液晶显示屏与按键人机对话之用。
　　联机接插件相互之间或与外设之间联机之用，构成系统工作。
　　配电CT输入插件配电电流取样。
　　
　　
　　
　　图2智能型低压无功补偿器单体工作原理示意图
　　智能型低压无功补偿器单体主要由低压电力电容器、智能组件、开关器件、保护组件和人机联系组件等组成，可实现如下基本功能：
　　控制根据无功功率缺额分相投切，基于机械触点的零投切开关零电压导通与零电流断开，自动/手动切换；
　　测量CT相位与变比自动校正，配电电压与电流、无功功率与功率因素测量，电容器三相电流与表面温度测量；
　　信号投运、退运、自诊断故障提示；
　　保护雷击、过压、欠压、涌流保护，电容器过电流、三相不平衡、断相和过温保护（过温能反映过电压、过谐波、电容器泄露严重和环境温度过高等情况）；
　　查询按键与数码管，或者红外或者蓝牙抄表器或GPRS采集多种方式任选其一；
　　统计配电电压、有功功率、功率因数等监测统计；
　　积木式组合自动产生一个主机，其余则为从机，构成系统工作，个别从机故障自动退出，不影响工作，主机故障自动退出后其余从机中自动产生一个新的主机，组成一个新的系统工作，根据无功功率缺额进行投切，容量相同的电容器按循环投切原则，容量不同的电容器按值投切。
　　2若干问题分析
　　2.1△－Y共补与分补相结合的接线
　　2.1.1三相共补的接线
　　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。适用于三相负载基本平衡、各相负载的cosφ相近的网络。
　　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。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％。
　　2.1.2△－Y共补与分补相结合的接线
　　此方式是三相共补与三相分补相结全的接线方式。三相共补部分的电容器为△接线，三相分补部分的电容器为Y接线，此方式适用于各种网络。这种接线方式的补偿装置，运行方式机动灵活。
　　2.2对三种接线方式的探讨
　　（1）从补偿效果来看：三相共补及分相补偿结合的接线（△-Y）的效果最好，最灵活；三相分补接线（Y）效果较差；三相共补接线（△）效果最差
　　（2）从经济角度来看：三相共补接线（△）的价格最经济；三相共补及分相补偿结合的接线（△-Y）的价格较贵；三相分补接线（Y）的价格最贵。
　　2.3并联电容器的投切开关
　　2.3.1双向晶闸管开关电路
　　现代的并联电容器的投切开关是采用双向晶闸管的无触点开关电路取代交流接触器用于投切电容器的接线如图3（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；②晶闸管开关电路运行时有较大的压降；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。
　　
　　图3晶闸管开关电路的接线方案
　　（a）晶闸管双向反并联（b）晶闸管和二极管反并联
　　2.3.2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3（b）所示。与图3（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3（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。
　　2.3.3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，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。
　　2.4、智能型自动控制器
　　2.4.1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。现代的使用方案是检测量为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。
　　2.4.2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4中的A点处；②检测点设在补偿设备后端如图4中的B点处。
　　
　　图4自动控制的检测点
　　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，较慢地达到应补偿值，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。
　　2.4.3对自动控制器性能及质量的要求
　　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。
　　2.4.4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。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。
　　4结束语
　　坚持科学发展观，以节能减排为基本国策，使用最好的节能减排产品，为国家又好又快发展做贡献；以最小的资源成本，获得最大的经济效益，为电网安全经济运行努力；为用电企业发展节省资金，降低生产成本而服务。