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文章詳情
智能型低壓無功補償技術方案
日期：2025-04-28 12:14
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摘要：
關鍵字：低壓無功補償 雙向晶閘管 SVG
在配網中，低壓無功補償對提高電能質量，降低線路損失具有重要意義。得到了廣泛應用。但無功補償裝置生產廠家眾多，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，給無功補償的管理帶來了很大困難。結合實際應用中出現的問題，就低壓無功補償裝置的三大部分投切開關、電容器、控制器，以及設計方案進行了簡單分析和總結，提出了一些建議供大家共同探討。
1 投切開關
投切開關主要包括接觸器、雙向晶閘管、復合開關三種方式。
1.1 接觸器
接觸器是使用時間*長，應用*廣泛的一種方式。相對于其他方式，其*大的優點是價格便宜，因此應用*為廣泛。但接觸器在投切電容器時，容易產生較大的涌流，燒毀接觸器的觸點，導致電容器損壞。
接觸器這種方式適用于負荷相對比較穩定，功率因數變動頻率較低的無功補償，具有良好的效果。
1.2 雙向晶閘管構成的無觸點開關
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。晶閘管在導通后理論上相當于短路，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，可導致晶閘管性能下降直至燒毀。因此必須加散熱器、風扇以及溫控繼電器。但是，當夏天室外溫度較高，配電室內不通風，又有變壓器等發熱源時，裝置的環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、風扇以及溫控回路后，需要的補償柜內的安裝空間更大，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生諧波電流，引起系統諧振后還會被放大，導致晶閘管損壞。
因此，對于類似戶外公變或專變下的無功補償柜，以及散熱不好的配電室內，盡量不要安裝這種雙向晶閘管構成的無觸點開關。
1.3 復合開關
這是一種融合了接觸器和雙向晶閘管優點的新型電容器投切開關。將接觸器和雙向晶閘管并聯在一起。其工作原理為利用晶閘管的快速特性作為投切開關，而接觸器則作為電流持續通過時的開關。在需要投入電容器組時，先由晶閘管在電壓過零時投入，防止合閘涌流的產生，然后再投入接觸器，使其處于同晶閘管并聯工作的狀態;當系統穩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，先將晶閘管導通，使其處于同交流接觸器并聯工作的狀態;接著使交流接觸器斷開退出工作，電容器與電網的連通作用短時內由晶閘管獨立承擔;*后切除品閘管的觸發信號，使晶閘管在電流過零時自然關斷。
使用雙向晶閘管構成的無觸點開關和復合開關的補償裝置，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，若要使用復合開關，應先考慮濾波。
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， 通態電流至少是它所承受的系統額定電壓和電流的2.5倍，甚至還要高。當然也要受成本的限制，雙向晶閘管構成的無觸點開關和復合開關的價格通常是接觸器的3—4.5倍。若參數再選高，則成本又會急劇增加。
2 電容器
2.1 自愈式并聯電容器結構特性
目前使用的電容器大都為自愈式并聯電容器。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，能利用短路產生的熱量將周圍的金屬層熔化蒸發，使絕緣特性很快得以恢復，電容器能夠繼續使用。即具有自愈功能。
實際應用中，采用三相角形聯結并一體化封裝的結構電容器比較常見。三相角形聯結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生的過電壓、過電流以及溫度等。而產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
投切開關主要包括接觸器、雙向晶閘管、復合開關三種方式。
1.1 接觸器
接觸器是使用時間*長，應用*廣泛的一種方式。相對于其他方式，其*大的優點是價格便宜，因此應用*為廣泛。但接觸器在投切電容器時，容易產生較大的涌流，燒毀接觸器的觸點，導致電容器損壞。
接觸器這種方式適用于負荷相對比較穩定，功率因數變動頻率較低的無功補償，具有良好的效果。
1.2 雙向晶閘管構成的無觸點開關
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。晶閘管在導通后理論上相當于短路，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，可導致晶閘管性能下降直至燒毀。因此必須加散熱器、風扇以及溫控繼電器。但是，當夏天室外溫度較高，配電室內不通風，又有變壓器等發熱源時，裝置的環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、風扇以及溫控回路后，需要的補償柜內的安裝空間更大，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生諧波電流，引起系統諧振后還會被放大，導致晶閘管損壞。
因此，對于類似戶外公變或專變下的無功補償柜，以及散熱不好的配電室內，盡量不要安裝這種雙向晶閘管構成的無觸點開關。
1.3 復合開關
這是一種融合了接觸器和雙向晶閘管優點的新型電容器投切開關。將接觸器和雙向晶閘管并聯在一起。其工作原理為利用晶閘管的快速特性作為投切開關，而接觸器則作為電流持續通過時的開關。在需要投入電容器組時，先由晶閘管在電壓過零時投入，防止合閘涌流的產生，然后再投入接觸器，使其處于同晶閘管并聯工作的狀態;當系統穩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，先將晶閘管導通，使其處于同交流接觸器并聯工作的狀態;接著使交流接觸器斷開退出工作，電容器與電網的連通作用短時內由晶閘管獨立承擔;*后切除品閘管的觸發信號，使晶閘管在電流過零時自然關斷。
使用雙向晶閘管構成的無觸點開關和復合開關的補償裝置，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，若要使用復合開關，應先考慮濾波。
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， 通態電流至少是它所承受的系統額定電壓和電流的2.5倍，甚至還要高。當然也要受成本的限制，雙向晶閘管構成的無觸點開關和復合開關的價格通常是接觸器的3—4.5倍。若參數再選高，則成本又會急劇增加。
2 電容器
2.1 自愈式并聯電容器結構特性
目前使用的電容器大都為自愈式并聯電容器。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，能利用短路產生的熱量將周圍的金屬層熔化蒸發，使絕緣特性很快得以恢復，電容器能夠繼續使用。即具有自愈功能。
實際應用中，采用三相角形聯結并一體化封裝的結構電容器比較常見。三相角形聯結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生的過電壓、過電流以及溫度等。而產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。
一般認為，電壓升高10% ，自愈式金屬化并聯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，一般取7—9。
而且投入電容器所產生的過電壓，雖然是瞬時的，但對絕緣介質的影響卻能夠累積。
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控制目標。通常的控制目標為：功率因數、電壓、無功功率或無功電流。大多數廠家產品的控制目標一項可通過定值設定，也可同時設定功率因數、電壓。
控制器應盡量滿足DL/T597—1996（（低壓無功補償控制器訂貨技術條件》、JB/T9663《低壓無功功率自動補償控制器》等推薦標準中的各項要求。在實際應用中，根據用戶情況以下功能應重點考濾。
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沖擊，過早損壞。若具有諧波超標保護功能，則能避免諧振的影響，對電容器也會起到很好的保護。另外，投切時間的設置應能滿足電容器完全放電的時間要求。
當然，若元件損壞的損失小于無功補償不夠的損失另當別論。
3.2 輕載自動識別
對于負載很輕的時候，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。設置目標功率因數來解決。
對于使用接觸器作為投切開關的無功補償裝置，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。
一般認為，電壓升高10% ，自愈式金屬化并聯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，一般取7—9。
而且投入電容器所產生的過電壓，雖然是瞬時的，但對絕緣介質的影響卻能夠累積。
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控制目標。通常的控制目標為：功率因數、電壓、無功功率或無功電流。大多數廠家產品的控制目標一項可通過定值設定，也可同時設定功率因數、電壓。
控制器應盡量滿足DL/T597—1996（（低壓無功補償控制器訂貨技術條件》、JB/T9663《低壓無功功率自動補償控制器》等推薦標準中的各項要求。在實際應用中，根據用戶情況以下功能應重點考濾。
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沖擊，過早損壞。若具有諧波超標保護功能，則能避免諧振的影響，對電容器也會起到很好的保護。另外，投切時間的設置應能滿足電容器完全放電的時間要求。
當然，若元件損壞的損失小于無功補償不夠的損失另當別論。
3.2 輕載自動識別
對于負載很輕的時候，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。設置目標功率因數來解決。
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，為方便接線及設備維護，控制器應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環境中，智能無功控制器應完成靜電干擾、快速瞬變脈沖群抗干擾、浪涌等電磁兼容型式試驗項目，試驗等級應為3級。在無功補償柜集中招標中，對控制器應明確提出此要求。
對于直接暴露于大容量變壓器等強電磁干擾環境中的控制器若出現顯示花屏、無故復位等問題時，有理由懷疑為電磁干擾。可考慮更換控制器，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 方案設計
在低壓無功補償方案設計中，應對用戶的負荷情況進行仔細分析研究，尤其是對工況特殊的用戶。裝置選擇上應遵循技術可靠，運行業績良好，經濟適用的原則。現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成的無觸點開關。使用不到三個月即發現晶閘管損壞。在對元件進行更換后不到2個月，再次發生晶閘管大面積損壞。調查中發現，用戶負荷中5次諧波電流占總電流12.6% ，嚴重時電容會發生尖叫。。諧波源來自于廠內的織機。懷疑為諧波引發諧振導致晶閘管損壞。
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，將雙向晶閘管構成的無觸點開關改為接觸器。改造后也曾出現接觸器觸點燒毀，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。結果發現倒送無功，功率因素僅0.36。經調查發現，廠內現僅余辦公負荷，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現。新表則表示得很清楚。將固定補償容量改為5 kvar后正常。
5 結語
無功補償中，要想經濟可靠地完成補償，方案設計具有重要作用，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的裝置。在使用方式確定后，裝置生產廠家都能制定參數明確的技術方案，對同類產品綜合比較后應能得到較好的達到補償效果，實現*大的綜合經濟效益。
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，為方便接線及設備維護，控制器應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環境中，智能無功控制器應完成靜電干擾、快速瞬變脈沖群抗干擾、浪涌等電磁兼容型式試驗項目，試驗等級應為3級。在無功補償柜集中招標中，對控制器應明確提出此要求。
對于直接暴露于大容量變壓器等強電磁干擾環境中的控制器若出現顯示花屏、無故復位等問題時，有理由懷疑為電磁干擾。可考慮更換控制器，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 方案設計
在低壓無功補償方案設計中，應對用戶的負荷情況進行仔細分析研究，尤其是對工況特殊的用戶。裝置選擇上應遵循技術可靠，運行業績良好，經濟適用的原則。現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成的無觸點開關。使用不到三個月即發現晶閘管損壞。在對元件進行更換后不到2個月，再次發生晶閘管大面積損壞。調查中發現，用戶負荷中5次諧波電流占總電流12.6% ，嚴重時電容會發生尖叫。。諧波源來自于廠內的織機。懷疑為諧波引發諧振導致晶閘管損壞。
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，將雙向晶閘管構成的無觸點開關改為接觸器。改造后也曾出現接觸器觸點燒毀，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。結果發現倒送無功，功率因素僅0.36。經調查發現，廠內現僅余辦公負荷，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現。新表則表示得很清楚。將固定補償容量改為5 kvar后正常。
5 結語
無功補償中，要想經濟可靠地完成補償，方案設計具有重要作用，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的裝置。在使用方式確定后，裝置生產廠家都能制定參數明確的技術方案，對同類產品綜合比較后應能得到較好的達到補償效果，實現*大的綜合經濟效益。
