安科瑞 鮑靜君

　　摘 要：本文在對無功補(bǔ)償裝置的節(jié)能效果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)低壓無功補(bǔ)償裝置使用中存在的問題，提出采用智能電容器來提高無功補(bǔ)償裝置性能，以應(yīng)對新能源發(fā)電和非線性負(fù)載接入電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波等問題。

　　關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；智能電容器；節(jié)能

　　—、前言

　　為了提高電能的使用效率，較大限度地利用發(fā)電機(jī)的容量，減少線損，推廣無功補(bǔ)償裝置是國家節(jié)能工程之一電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程的重要內(nèi)容。國家電網(wǎng)公司明確要求，“電力系統(tǒng)配置的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)能保證在系統(tǒng)有功負(fù)荷高峰和負(fù)荷低谷運(yùn)行方式下，分（電壓）層和分（供電）區(qū)的無功平衡。”電力用戶應(yīng)根據(jù)其負(fù)荷特點(diǎn)，合理配置無功補(bǔ)償裝置，要求100KVA及以上高壓供電的電力用戶，在用戶高峰負(fù)荷時(shí)變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95。為了滿足上述要求，絕大多數(shù)工礦企業(yè)均配置了無功補(bǔ)償裝置對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

　　二、無功補(bǔ)償裝置的配置與節(jié)能效果分析

　　低壓配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償以配電變壓器低壓側(cè)集中補(bǔ)償為主，高壓補(bǔ)償為輔。無功補(bǔ)償裝置容量可按變壓器大負(fù)載率為75%，負(fù)荷自然功率因數(shù)為0.85考慮，補(bǔ)償?shù)阶儔浩鬏^大,負(fù)荷時(shí)其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95，或按照變壓器容量的20%?40%進(jìn)行配置。

　　設(shè)配電變壓器向負(fù)荷輸送的有功功率為定值P，電壓為額定電壓U，可導(dǎo)出線路的功率損耗與功率因數(shù)的關(guān)系如式（1），其曲線如圖1所示。

　　△P%=（1/cos2φ-1）*100%（1）

　　從圖中不難看出，功率因數(shù)從1降低到0.95時(shí)，線路損耗將增加10.8%；功率因數(shù)從1降低到0.6時(shí)，線路損耗增加177.8%。反之，在線路中增加無功補(bǔ)償裝置，將使線路的損耗減少。如將功率因數(shù)從不同的值提高到0.95，可導(dǎo)出線路的功率損耗率與功率因數(shù)的關(guān)系如式（2）,其曲線如圖2所示。

　　△P%=[1-(cosφ/0.95) 2]*100%（2）

　　由圖可以看出，功率因數(shù)從0.6上升到0.95時(shí)，線路損耗將減少60.1%，功率因數(shù)從0.9上升到0.95時(shí)，線路損耗將減少10.2%。

　　三、無功補(bǔ)償裝置存在的問題及智能電容器的應(yīng)用

　　在實(shí)際供電系統(tǒng)中，由于受使用環(huán)境如工作電壓、溫度、海拔以及諧波的影響，無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行過程中往往存在一些問題：1、按系統(tǒng)容量要求計(jì)算、設(shè)計(jì)的補(bǔ)償裝置運(yùn)行中岀現(xiàn)支路斷路器過載跳閘，甚至斷路器合不上閘的故障；2、補(bǔ)償裝置投運(yùn)一段時(shí)間后，補(bǔ)償容量出現(xiàn)下降的問題；3、自愈式電容器自愈失效，內(nèi)部產(chǎn)生氣體而使電容器內(nèi)外壓差變大引起電容器爆炸；4、電容器的壽命縮短，達(dá)不到廠家說明書的要求。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，原因是多方面的。除了電容器本身質(zhì)量等因素外，使用環(huán)節(jié)的問題也不容忽視。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，無功補(bǔ)償裝置釆用的電容器已用自愈式電容器代替油浸式紙介電容器。而智能電容器作為一種集成了現(xiàn)代測控、電力電子、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動(dòng)控制、新型絕緣材料等先進(jìn)技術(shù)的新產(chǎn)品將具有良好的推廣應(yīng)用前景，使基于智能電容器的新一代低壓無功補(bǔ)償設(shè)備具有補(bǔ)償效果好，體積小，功耗低，現(xiàn)場接線簡單、使用靈活、維護(hù)方便、使用壽命長、可靠性高、可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的特點(diǎn)。

　　智能電容器釆用模塊化設(shè)計(jì)，其組成框圖如圖3所示：

　　與傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置比較，釆用智能電容器的無功補(bǔ)償裝置，具有如下特點(diǎn)：

　　3.1由于智能電容器集成了保護(hù)、控制、通信功能模塊，因此智能電容器可單個(gè)獨(dú)立使用，多臺(tái)聯(lián)網(wǎng)使用就能實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償容量的擴(kuò)充。克服了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置由于補(bǔ)償控制器損壞則只能手動(dòng)控制、個(gè)別電容器質(zhì)量問題引起整機(jī)停機(jī)等缺點(diǎn)。

　　3.2自愈式電容器內(nèi)置溫度傳感器，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電容器內(nèi)部可能出現(xiàn)的過熱問題，實(shí)現(xiàn)過溫報(bào)警、保護(hù)。據(jù)德國史泰拿公司的資料表明，金屬化膜的介電強(qiáng)度隨溫度升高而下降，85℃時(shí)介電強(qiáng)度降低至室溫下的77%?87%。此外，由于高原地區(qū)空氣密度下降，使電容器的散熱效果變差，過高的溫度將大大加快絕緣材料老化速度，降低其使用壽命。生產(chǎn)地與使用地的不同海拔造成電容器在高原地區(qū)使用時(shí)內(nèi)外壓差增加，易引起電容器出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。因此，電容器工作溫度的監(jiān)測及保護(hù)對延長其使用壽命的作用十分有效。

　　3.3智能電容器內(nèi)投切開關(guān)模塊將不再以機(jī)械式接觸器作為投切電容器的手段，而是由晶閘管及保護(hù)電路、磁保持繼電器、過零觸發(fā)導(dǎo)通電路構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)電容器“過零投切”，使電容器投切過程無涌流沖擊，無操作過電壓。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，由于釆用過零投切，減少了過電壓對電容器的沖擊，電容器的使用壽命可延長2~3倍。

　　3.4智能電容器具有過壓、欠壓、缺相、過流、諧波畸變率保護(hù)等功能，在故障發(fā)生時(shí)能自動(dòng)退出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)保護(hù)，在故障解除后，自動(dòng)恢復(fù)工作，與僅靠熔絲保護(hù)(內(nèi)部保護(hù))和斷路器保護(hù)相比其可靠性有質(zhì)的提升。例如研究認(rèn)為，當(dāng)電容器的工作電壓超過額定電壓15%時(shí)，其壽命就可以縮短到運(yùn)行于額定電壓時(shí)的35%左右。因此，嚴(yán)格限制電容器運(yùn)行電壓，是保證其安全運(yùn)行的重要措施。

　　3.5在電容器的投切方式上：可釆用直接投切，循環(huán)投切和積分運(yùn)算方法投切等多種方式，既保證補(bǔ)償效果，又減少投切次數(shù)，避免不必要的投切。如果以無功功率為控制量，釆用無功潮流預(yù)測和延時(shí)多點(diǎn)采樣技術(shù)，可確保投切無振蕩。

　　四、諧波對無功補(bǔ)償裝置的影響及對策

　　由于風(fēng)電機(jī)組、光伏電站等新能源電源以及各種非線性負(fù)載的接入，諧波對電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響日益突出。僅就諧波來說，當(dāng)系統(tǒng)中諧波總畸變率THDV≤5%時(shí)，系統(tǒng)中設(shè)備基本能維持運(yùn)行，因此，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定380V電壓等級的諧波總畸變率限值為5%氣當(dāng)5%10%時(shí)，大部分設(shè)備將出現(xiàn)故障。因此，一方面，各國標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)諧波提出了限值，如美國標(biāo)準(zhǔn)IEEE519,英國工程導(dǎo)則G5/3及之后的G5/4，歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-2-2等。另一方面，諧波的產(chǎn)生又不可避免。因此，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)諧波的情況，研究諧波對電容器的影響（如溫升），以選擇合適的無功補(bǔ)償方案。

　　在既有的系統(tǒng)中，可以采用FlukeF434/F433等三相電能質(zhì)量分析儀對供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試。這類設(shè)備一般可輸入4個(gè)電壓和電流（3相+中性點(diǎn)）值，測量電壓和電流真有效值和峰值、頻率、驟降和驟升、瞬態(tài)尖峰脈沖、功率和功耗、諧波、間諧波、閃變和三相不平衡度等。分析高達(dá)50次的諧波，并根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求測量和記錄諧波總畸變率（THD）。 數(shù)據(jù)文件還可傳輸?shù)絇C，利用FlukeView軟件做進(jìn)一步的分析。根據(jù)分析的結(jié)果確定相應(yīng)的無功補(bǔ)償方案。

　　在新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，可根據(jù)產(chǎn)生諧波的設(shè)備總?cè)萘縎n與電源變壓器容量So的比值來確定無功補(bǔ)償方案。同時(shí)還要考慮由于為了提高無功補(bǔ)償裝置耐受諧波的能力而串聯(lián)電抗器引起的電容器運(yùn)行電壓升高。可遵循的規(guī)則是：當(dāng)Sn≤10%So時(shí)，可使用額定電壓等級的電容器構(gòu)成無功補(bǔ)償裝置；當(dāng)lO%So<Sn<2O%So時(shí)，應(yīng)使用比電源額定電壓高10%電容器構(gòu)成無功補(bǔ)償裝置；當(dāng)Sn≥20%So時(shí)，應(yīng)使用電容器串聯(lián)電抗器方式，對諧波分量進(jìn)行抑制，使之在1.1倍的電容器額定電壓的情況下，諧波量不使電容器的電流大于其額定電流的1.3倍。此外，當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對諧波起放大作用（諧振），危及電容器本身和其他電氣設(shè)備的安全，此時(shí)應(yīng)采取濾波、或限制電容器組的投入容量來避免。

　　五、安科瑞智能電容器產(chǎn)品介紹

　　AZC/AZCL系列智能電力電容補(bǔ)償裝置是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。改變了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式，具有補(bǔ)償效果更好，體積更小，功耗更低，價(jià)格更廉，節(jié)約成本更多，使用更加靈活，維護(hù)更方便，使用壽命更長，可靠性更高的特點(diǎn)，適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

　　（1）AZC系列智能電容器采用晶閘管復(fù)合開關(guān)投切，較佳投切點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無弧通斷；完善的保護(hù)功能，集成在一個(gè)模塊內(nèi)，安裝方便。

AZC系列智能電容器選型：

　　（2）AZCL是在AZC基礎(chǔ)上，串接合適電抗率（7%適用于5/7次以上諧波環(huán)境，14%適用于3/5/7次以上諧波環(huán)境）的電抗，可解決諧波，避免諧振放大諧波，保護(hù)電容柜本身壽命。

AZCL系列智能電容器選型：

　　上述兩種智能電容器采用LCD液晶顯示器，可實(shí)時(shí)顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等電參量。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)尋找較佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無弧通斷；保證過零投切，無涌流、觸點(diǎn)不燒結(jié)、微能耗、無諧波；同時(shí)具有抗干擾、防雷擊和電源缺相、空載跳閘的保護(hù)功能，特別適用于無功補(bǔ)償時(shí)切換電容器，不需加裝散熱器。

　　六、結(jié)束語

　　較大限度的利用能源是有價(jià)值的資源。無功補(bǔ)償裝置的節(jié)電效果主要是提高電能的使用效率。為了適應(yīng)各種新能源發(fā)電設(shè)備接入電網(wǎng)的要求，無功補(bǔ)償裝置也面臨新的挑戰(zhàn)。提高其智能化水平無疑是一種途徑。