低压无功补偿装置的器件分析和选型

关键词： 无功补偿容量 无功补偿控制器 机电一体化复合开关

前 言

现有供电设备虽经多次改造，仍然难以满足日益增长的电力负荷需求，目前全国各地已不同程度地出现了缺电和拉闸限电的现象。

解决电力供应紧张的问题，除了加快电厂建设以外，采用合理的无功补偿不失为一条有效的途径。做好无功补偿工作，不但可起到扩大现有输变电设备供电能力、改善电能质量、降低线路损耗、缓解供电能力不足的作用，而且还能取得良好的经济效益，如延长供用电设备的使用寿命、降低用户的电费支出等。

无功补偿的重要性及其解决问题的现实性，目前已得到了业内共识，各地也相继安装了许多不同形式的无功补偿装置，但从其使用的效果来看却不尽相同。

特别是运行在0.4kV级的无功补偿装置，由于其补偿点多，分布面广，专业技术管理的力度相对薄弱，因此，在补偿的准确性、运行的安全性、动作的可靠性、设备的先进性、以及维护量的多少、使用寿命的长短等方面， 存在着优劣并存，良莠不齐的现状。

例如：某单位的无功补偿屏安装后，一直不能正常使用，成为闲置设备；又如：某单

位杆上变压器的低压补偿电容器投入后，立刻引起线路跳闸，只好将电容器拆除后才能正常供电……，此类不良补偿现象，在实际工作中时有发生，究其原因，主要是没有根据具体的负荷性质，恰当地选择优质补偿设备。

本文就低压无功补偿装置的器件选型问题，提出一些浅见，以起到抛砖引玉的作用，并希望能为实际工作提供一点参考。

一、 补偿电容器的容量及相关因素

补偿电容量的正确选择，是获得良好补偿效果的重要环节，具体选择时，可考虑如下几个因素：

1、 供电变压器的空载无功补偿

一般可选变压器总容量3%的并联电容器作为固定补偿，以补偿变压器的空载无功损耗。

2、 确定多路补偿的容量梯度

了解用电负荷的最大值、最小值、负荷的波动情况，根据具体情况以确定电容器的投切步长和分组路数，做到对无功变化的精确跟踪。

3、 平衡补偿、分相补偿、复合补偿的选择

确定三相负荷的不平衡程度，必要时需进行现场测量，以确定采用三相平衡补偿还是采用复合补偿方式。当三相严重不平衡时，最好选用适当容量的分相补偿。

来源:输配电设备网

4、 确定补偿电容器的总容量

测量自然功率因数，确定目标功率因数，根据两者之差确定所需要的无功补偿总容量。

若已知：有功功率 P ，自然功率因数 cosφ1 ，目标功率因数 cosφ2 。

则所需补偿的电容器总容量为： ΔQ＝P ( tanφ1 － tanφ2 )

5、 确定是否采用抗谐波无功补偿电容器

当电网谐波分量较大时，应进行现场谐波测试，必要时需采用与电抗器配套设计的专用电容器，以防止在较大谐波的作用下，补偿装置无法正常运行或电容器易损坏的现象发生。

二、 无功补偿控制器的选择

随着电子技术的发展，先后出现了集成电路、CPU、DSP等技术构成的、各具特色的无功补偿控制器。随着无功补偿产品市场需求的逐步扩大，生产无功补偿控制器的厂家越来越多，产品质量和产品性能也千差万别。因此，在控制器的选择上要特别慎重，应严格按照DL/T597《低压无功补偿控制器订货技术条件》、JB/T9663《低压无功功率自动补偿控制器》等专业标准中规定的各项要求，依据具体的补偿需求和负荷特性，选择专业化厂家 生产的合格控制器。一般情况下，可从以下几个方面对控制器进行选择：

1、 对于电网负荷波动不大，且三相负荷基本平衡，仅以提高功率因数为目标的情况，

为了降低设备成本，可选用功能单一、操作简便的简易型无功补偿控制器。其控制物理量可不做严格要求，可采用无功功率、无功电流或功率因数作为控制物理量，也可采用复合型控制物理量。投切方式可采用较简单的循环投切模式。这样即能达到较好的无功补偿效果，又能降低设备的生产制造成本，同时设备操作简单，便于维护。

2、 对于电网负荷波动频繁、最大负荷与最小负荷间的差距较大，但三相负荷基本平衡的情况，宜选用性能较好的控制器。例如选用无功电流或无功功率作为控制物理量，且投入门限和切除门限应能够分别设定，以防止出现投切震荡，同时还应具有过压和欠流等保护功能。投切方式最好采用可进行程序控制的“编码+循环”投切方式，以确保控制器能够快速准确地对无功功率的变化进行动态跟踪补偿。

3、 当电网负荷波动频繁，最大负荷与最小负荷差距较大，同时三相负荷严重不平衡时，对控制器的选择就提出了更高的要求，应具有“分相+平衡”复合投切功能。其控制物理量应为复合型（无功功率+功率因数），其性能参数应不低于以下要求：

（1） 灵敏度≤100mA

（2） 动作误差不大于下表的规定：

（3） 稳定范围：确保控制器在满足补偿要求的前提下，确保稳定工作，不出现投切震荡。

4、 为了配合电网自动化的实施，在提高功率因数的同时，还要求能够实时监测电网的各项运行参数，在这种情况下，则需要选择具有综合测试功能的无功补偿控制器（配电综合测控仪）。该控制器除应具有前3项中提到的复合型控制物理量、复合投切功能、较高的灵敏度和稳定度、较小的动作误差、以及过压、欠流等保护功能外，还应具有电网参数实时在线测量、数据存储、数据显示、电报校时、停电数据保护、数据采集和数据远传等功能。同时应配套功能完善的支持性后台软件，以便对采集到的数据进行有效的分析和直观的图形显示，并能输出各类相关的报表。若数据传输采用GPRS无线通讯方式，还可以完全免掉通讯网络建设投资和人工抄表工作，节约大量的财力和人力。

5、 对于非线性负荷较多、电网谐波分量较大的情况，必须选用具有谐波测量和谐波超限保护功能的无功补偿控制器，并选配参数合理的抗谐波电抗器，构成抗谐波无功补偿控制装置，以便在谐波较严重的工况下仍能可靠运行，达到满意的补偿效果。

三、 电容投切装置的选择

无功补偿电容器的投切器件较多，其投切的平稳度和使用寿命也相差很大，下面分别加以说明：

1、普通交流接触器

由于电容器在投入和切除时会产生很大的涌流和过压，暂态高压和投切冲击电流会导致电器绝缘击穿和接触器触头烧损，使接触器频繁损坏，同时还会影响电容器使用寿命和对电网造成干扰。

因此，普通交流接触器投切电容器的控制方式目前已基本淘汰。

2、电容器投切专用接触器

为了解决普通接触器易烧损的问题，一些生产企业研制了带有抑制涌流装置的电容器投切专用接触器。

该接触器是在普通交流接触器的主触点上加装了一套限流阻抗，在电容器投切不频繁时，起到了一定的作用。但其抑制电容器涌流的效果并不理想，当电流较大时，其限流阻抗和主触点被烧毁的现象时有发生。特别在无功负荷波动大，电容器投切频繁的情况下，其实际使用寿命一般仅在一年左右，就必须进行检修或更换。 来源:http://www.tede.cn

采用专用接触器进行电容器投切的无功补偿装置，只适用于在负荷基本平稳、且三相电压基本平衡的理想工作环境下使用。

3、晶闸管电子开关

要提高无功补偿装置的使用寿命和投切稳定性，必须彻底解决电容器投切时产生的涌流、过压和分断电弧过大等问题。

利用晶闸管实现电压过零投入、电流过零切除、开关无触点、反应速度快等特性，可实现电容器的投入无涌流、切除无过压、投切无电弧的快速动态补偿功能，因而较好地解决了电容器投切时产生的暂态冲击现象。

目前，采用晶闸管投切电容器（TSC）的无功补偿装置已得到了较多的应用。

但晶闸管元件最明显的缺点是在导通状态下有较大的管压降，这不仅存在一定的功率损耗，还产生了很高的温升，需要使用轴流风扇和体积较大的专用散热器，来解决其通风

散热问题，同时还需使用温控开关来控制轴流风扇的适时启动。

由于轴流风扇是具有机械旋转运动的易损器件，存在着一定的不可靠性，风扇一旦停止运转，就会影响装置的正常运行，因此降低了TSC无功补偿装置的可靠性。

由此可见，采用晶闸管作为电容器的投切装置，虽然解决了电容器投切过程中的涌流、过压、分断电弧等问题，但其自身也存在着明显不足，如散热器体积大、冷却风扇易损坏、需外加温控开关和触发电路等辅助器件、结构复杂等。 来源:http://tede.cn

由于0.4kV级的低压无功补偿装置安装地点分散、数量多、运行和维护的工作量大，因此，在无功补偿装置的选用中，晶闸管电容投切装置所暴露的缺陷已不容忽视。选用可靠性更高、使用寿命更长的免维护型电容器投切装置，是达到良好补偿效果、降低运行和维护费用、实现高效、节能、安全、经济运行的重要问题。

4、机电一体化复合开关

近年来，一些专业厂家研制了不同形式的机电一体化复合开关，作为电容器的投切装置。其中有些机电开关已能达到良好的电容器投切效果，并取得了很好的运行经验。

因机电一体开关是一种新型的电容器投切装置，下面将其工作原理、结构特点和选用注意事项作一简单介绍。

㈠ 主接线和工作原理

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机电一体化开关的基本构成：

① CPU控制单元——接收无功补偿控制器发出的电容器投切信号，即“控制信号1”，并按预先设定的程序发出晶闸管和交流接触器的通断控制信号。

② 晶闸管电子开关——它接收CPU控制单元发出的触发信号，实现电容器的零电压投入和零电流切除功能。

③ 交流接触器——它接收CPU控制单元发出的分合指令，即“控制信号2”。交流接触器只在稳态时，起到无功补偿电容器与电网之间的能量传递作用。

机电一体化开关的设计思想：

由上图可见，机电一体化开关的通断器件有两种，即正反向并联晶闸管和普通交流接触器。

其设计思想是：将电容器投切和运行的不同特性，分为暂态和稳态两个过程，分别采用不同特性的器件进行控制，即：

利用晶闸管的易控和无触点特性，使反向并联晶闸管工作在电容器投切瞬间的暂态过程中，起到抑制涌流、过压和拉弧现象，并能实现快速投切。

利用交流接触器在可靠闭合时，其主触点接触电阻小、导通容量大、压降小、功耗小、工作安全可靠等特性，使其工作在电容器投入后和切除前的稳态过程中，起到电容器向电网提供无功能量的主通道作用。 来源:http://tede.cn

机电一体化开关的原理框图：

实现上述设计思想的核心部件，是机电一体化控制单元，它由程序化控制电路、正反向并联晶闸管和阻容能量吸收电路所组成。机电一体化控制单元的原理框图如下：

当无功补偿控制器根据电网无功的增量，向机电一体化控制单元发出投入或切除电容器的控制信号时，该信号通过光电转换后进入单片机，启动相应的时序控制程序，单片机按照规定的程序步骤，发出晶闸管通断指令和接触器通断指令，该指令通过功率放大和光电隔离后，驱动晶闸管和交流接触器按预先设定的程序适时动作，确保安全可靠地对电容器进行投切操作。

机电一体化复合开关的动作时序：

对机电一体化复合开关动作时序的要求是：

① 投入时段——首先使晶闸管电子开关在电压过零时刻导通，将电容器平稳可靠地接入电网，并维持导通状态；接着使交流接触器导通，使其处于同晶闸管并联工作的状态，并持续一段时间；最后，电路已处于稳定工作状态，将晶闸管断开退出工作，使交流接触器独立承担电容器与电网的连通作用。

② 切除时段——首先使晶闸管电子开关导通，使其处于同交流接触器并联工作的状态；接着使交流接触器断开退出工作，电容器与电网的连通作用短时内由晶闸管独立承担；最后切除晶闸管的触发信号，使晶闸管在电流过零时自然关断。

机电一体化复合开关的动作时序图如下所示：

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由时序图可见，无论交流接触器的主触点是在闭合时刻还是在开断时刻，晶闸管电子开关都是处于可靠导通的状态，因此，交流接触器的主触点上基本不会产生电弧，从而使接触器的使用寿命得到了很大的提高，同时消除了电路的电弧干扰，使整个系统更加安全可靠。

㈡ 开关的结构、特点及选用注意事项

从机电一体化复合开关的结构形式来看，主要分为一体式和分体式两种，下面分别作一简单介绍。

① 一体式机电复合开关

一体式机电复合开关，是将CPU控制单元、晶闸管、交流接触器、以及连接导线和安装附件等，组装在同一个外壳中，形成一个独立的整体。

优点：一体式机电复合开关结构紧凑、体积小巧、相应的外部接线少，因此，给安装带来了方便。

缺点：由于体积小，其开断容量和通风散热均受到了限制，一般只能用于小容量的电容器投切。特别是有些一体式复合开关的外壳做成不可拆卸的形式，一旦开关中某个器件损坏时，只能整体更换，造成了一定的浪费。

② 分体式机电复合开关

分体式机电复合开关，是将CPU控制单元、晶闸管、阻容吸收电路等做成一个整体，构成一个独立的程序化控制单元，该单元不含交流接触器，而是与交流接触器配套使用。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息

优点：将暂态开关（晶闸管）与稳态开关（交流接触器）相互独立，提高了系统的抗干扰能力；独立的控制单元具有通用性，可根据补偿电容器的实际容量，与不同容量的交流接触器配套使用。整个补偿装置运行可靠、配置灵活，器件损坏时互换性好。

缺点：由于控制单元与交流接触器需分别安装，所占空间较大。

③ 机电一体化复合开关的选用注意事项

为了达到安全、可靠、长寿命的使用效果，在选用机电复合开关时应注意以下内容：

ⅰ、查验控制程序是否符合要求

不同的生产厂家，其控制程序也不尽相同，在选择机电一体复合开关时，必须仔细鉴别控制程序是否合理，是否能够确保过零投切，具体鉴别方法可通过查阅此复合开关的型式试验波形图进行验证。

ⅱ、选择机电一体复合开关的控制相数

在进行三相平衡补偿时，既可选用两相控制模式的机电一体复合开关，也可选用三相全控模式的机电一体复合开关。一般在符合当地供电要求的前提下，选用两相控制模式的机电一体复合开关，可降低设备的成本。

ⅲ、机电一体复合开关中晶闸管的选择

晶闸管的质量直接关系到复合开关的使用寿命和可靠性，在满足电流、耐压等要求时，还应选用知名厂家生产的反向并联晶闸管模块。 请登陆:输配电设备网 浏览更多信息

ⅳ、一体式结构机电一体化复合开关的选择

在选用一体式结构的机电一体化复合开关时，要对其内部晶闸管和接触器进行鉴别，防止因压缩体积，而使晶闸管容量过小和用继电器代替接触器。因为继电器属于二次控制器件，其触点的压力、开距、超程、接触电阻、灭弧功能等指标，均不能满足一次电流、电压的要求，从而影响开关的使用寿命。

ⅴ、分相式机电复合开关的选用

当需要进行分相补偿或复合补偿时，宜选择专用的分相补偿式机电一体化复合开关，以对单相电容器进行投切控制。

ⅵ、多路机电复合开关的应用

当补偿路数达4路或4路以上时，为了降低补偿装置的综合成本并使其结构紧凑，可选用多路输出的机电一体化复合开关。

综上所述，要使低压无功补偿装置真正实现节能降耗、延长供用电设备使用寿命、提高经济效益的目的，就必须真正做到合理选型，以确保无功补偿设备满足具体的使用要求。作为无功补偿装置的使用者和制造者，在关注设备成本的同时，还应该充分考虑装置的性能优劣，从而获得最大的综合经济效益。

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