智能型低壓無功補償裝置若干問題的探討

1　前言

　　近年來，在城鄉電網改造的實施過程中，低壓并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，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。本文就智能型低壓無功補償裝置開發中的若干技術問題和發展方向進行討論，以供參考。

2　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裝于低壓電動機的單臺就地補償；②裝于配電變壓器低壓側的補償箱；③裝于企業配電房或車間以及高層建筑樓層配電間的自動補償柜（如PGJ柜等）。限于篇幅，對單臺補償問題本文不作討論。低壓補償箱和補償柜的技術改進和新技術應用歸納起來主要有以下幾方面：
　　
　　（1）由三相共補到分相補償，以求達到更理想的補償效果；
　　（2）由單一的無功補償到同時具有濾波及抑制諧波功能的補償裝置；
　　（3）從采用交流接觸器進行投切，到選用晶閘管開關電路投切，以及發展為等電壓投、零電流切的最佳投切模式；
　　（4）智能型自動補償控制器和配電變壓器的運行記錄儀相結合；
　　（5）將低壓補償的功能納入箱式變電站　　或美式箱變的低壓部分；
　　（6）采用不銹鋼或航空鋁板的箱體，具有防寒、防曬、密封、防潮、防銹的特點；
　　（7）選用干式或充SF6的自愈式并聯電容器，提高運行可靠性，延長使用年限。

3　△－Y共補與分補相結合的接線

　　3．1　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，根據控制器統一取樣，各相投入相同的補償容量，這種補償方式的接線如圖1所示。適用于三相負載基本平衡、各相負載的cosφ相近的網絡。為什么國內外制造廠對三相共補的電容器均選用△接線呢？主要是額定電壓400V的自愈式電容器的價格較同容量額定電壓230V的電容器要便宜得多。這是由于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50MV／m，如用厚7μm的金屬化膜，工作場強為57．14M V／m，而230V的電容器，如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，故對230V電容器一般是采取降低工作場強的設計，按照國內的通常價格，同容量的230V電容器的價格為400V電容器價格的2倍以上。

　　3．2　三相分補的接線

　　三相分補方式就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補償容量。適用于各相負載相差較大，其cosφ值也有較大差別的場合。接線如圖2所示。與三相共補的不同特點是：①單臺并聯電容器的額定電壓為230V，Y接；②控制器分相進行工作，互不影響。當然，其價格高于三相共補的裝置，一般要貴20％～30％。

　　3．3　Δ－Y共補與分補相結合的接線

　　從經濟的角度出發，也可以采用電容器Δ－Y接線，即三相共補與三相分補相結合的接線方案如圖3所示。三相共補部分的電容器為Δ接線，三相分補部分的電容器為Y接線，例如某廠家Δ接電容器組的單臺電容器分別為400V，10、15、20、30kvar。Y接電容器組的單臺電容器分別為：230V，3、4、5、6、8、10kvar。這種接線方式的補償裝置，運行方式機動靈活，其成套價格低于圖2的接線方案。也有的廠家對Y接的電容器組仍采用400V的電容器，其單臺銘牌容量與Δ接電容器組選用相同的電容器，而Y接部分的電容器實際輸出的容量只有銘牌的1／3。這樣做的目的是由于400V的產品比較便宜，即使實際容量較名牌值小，但由于工作場強低，壽命較長，且整個裝置只用一個規格的電容器，互換性強。

4　并聯電容器的投切開關

　　4．1　交流接觸器

　　70年代廣泛應用的PGJ補償柜，都是采用交流接觸器作為并聯電容器的投切開關，迄今仍有沿用。其缺點是：①投入電容時產生倍數較高的涌流，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涌流過大對電容器本身有害，會影響使用壽命。當時采用的措施是：（1）適當選擇額定容量較大的接觸器，如用額定電流40A的接觸器投切15kvar的三相電容器（IC＝21．7A）；②采用專用的接觸器，其型號有CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；③每臺電容器加裝串聯小電抗器，用以抑制涌流。

　　4．2　雙向晶閘管開關電路

　　采用雙向晶閘管的無觸點開關電路（又稱固態繼電器）取代交流接觸器用于投切電容器的接線如圖4（a）所示。其優點是過零觸發，無拉弧，動作時間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于繁投切的場合。但也存在以下缺點：①采用雙向晶閘管制造成本高，晶閘管開關電路的補償柜價格要比采用接觸器的補償柜貴70％～80％左右；②晶閘管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BZMJ0．4－15－3并聯電容器為例，其額定電流為21．7A，如晶閘管開關的電壓降為1V時，3個晶閘管開關電路運行時，損耗的功率為：P＝3×1×21．7＝65．1W，如補償柜的無功功率為90kvar，則全部投入時，晶閘管的功率損耗為65．1×6＝390．6W，以每天平均10h計，日耗電量達3．906kWmiddot;h。年耗量約為1426kW·h，有功消耗的發熱量還會增加整個補償裝置的溫升，而需采用相應的散熱降溫的措施，如采用接觸器則基本上不消耗有功；（3）晶閘管電路的本身也是諧波源，大量的應用對低壓電網的波形不利。因此，除了對晶閘管開關電路加以改進外，還應使之在完成開合閘操作后退出，仍由與之并聯的接觸器維持電容器的正常運行。

　　4．3　晶閘管和二極管反并聯的開關電路

　　一個晶閘管和一個二極管反并聯的接線方案如圖4（b）所示。與圖4（a）的接線方案對比，由于相同容量的二極管的價格低于晶閘管，故用一只晶閘管和一只二極管反并聯的無觸點開關電路制造成本較低，而技術性能相近，但反應時間則較漫些，切除電容器時，從切除指令的輸出到工作任務的完成，可以在半周波內完成，（即時間t≤10ms）。如采用圖4（b）的方案，由于二級管的不可控性，通常其切除時間要在0．5～1Hz之間，即切除時間t≤20ms。

　　4．4　等電壓投零電流切的新型無觸點開關電路

　　等電壓投零電流切的新型無觸點開關電路的接線如圖5所示，圖中J為交流接觸器的觸點。其運行操作順序說明如下：當投入電容器時，先由微電腦控制器發出信號給開關電路，使之在等電壓時投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發信號給接觸器，使其觸點也閉合，將晶閘管開關電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠小于開關電路導通時的電阻，達到了節能和延長開關電路使用壽命的目的。當需要切除電容器時控制器先發信號給接觸器，使接觸器觸點J斷開，此時開關電路處于導通狀態，并由開關電路在電流過零時，將電容器切除。本方案的優點是：運行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關電路和接觸器的使用壽命長。

　　4．5　兩相兩管開關電路投切的三相Δ形接線電容器組

　　兩相兩管開關電路投切三相Δ形接線電容器組的接線如圖6所示。該項投切原理是北京首電科技有限公司的專利技術，已在我國低壓配電網中獲得廣泛的應用，效果是滿意的。

5　智能型自動控制器

　　5．1　檢測量和控制目標

　　檢測量主要有cosφ、無功功率Q和無功電流Iq三種，80年代中期多選用以cosφ為檢測量的控制器，執行手段是投切電容器，補償的最終目的是減少進出電網的無功功率。此方案的主要缺點是：輕載時容易產生投切震蕩，重載時又不易達到充分補償，故新型的控制器已不再選