配电网中低压无功补偿装置应用经验

摘 要：通过对目前使用的不同方式的智能型低压无功补偿装置的比较。以及对实际应用中出现的部分问题进行初步分析，提出了对无功补偿方案选择及装置的选择建议。

在配网中，低压无功补偿对提高电能质量，降低线路损失具有重要意义。得到了广泛应用。但无功补偿装置生产厂家众多，用户情况千差万别，不同补偿装置的实际运行效果各不相同，给无功补偿的管理带来了很大困难。结合实际应用中出现的问题，就低压无功补偿装置的三大部分投切开关、电容器、控制器，以及设计方案进行了简单分析和总结，提出了一些建议供大家共同探讨。

1 投切开关

投切开关主要包括接触器、双向晶闸管、复合开关三种方式。

1.1 接触器

接触器是使用时间最长，应用最广泛的一种方式。相对于其他方式，其最大的优点是价格便宜，因此应用最为广泛。但接触器在投切电容器时，容易产生较大的涌流，烧毁接触器的触点，导致电容器损坏。

接触器这种方式适用于负荷相对比较稳定，功率因数变动频率较低的无功补偿，具有良好的效果。

1.2 双向晶闸管构成的无触点开关

这种方式通过检测电压的过零点，在上下半波分别控制正反两支晶闸管的通断，来投切电容器组。由于是在过零点投人，因此避免了合闸涌流的冲击，避免了电容器受到过电压的冲击。

但此种方式很大的一个问题是散热。晶闸管在导通后理论上相当于短路，需长时间通过额定电流，而实际上晶闸管是存在一个导通压降 ，一般为1.5 V左右。以一个总补偿量为160 kvar的补偿柜为例。电容器分为8组，每20 kvar，则A相中流过的电流为52.6 A，每只晶闸管功耗为P=1.5×52.6=78.9 w，两只晶闸管近160 w。相当于点两只80 w的灯泡。而晶闸管正常工作的壳温不超过80℃ ，若长时间过热，可导致晶闸管性能下降直至烧毁。因此必须加散热器、风扇以及温控继电器。但是，当夏天室外温度较高，配电室内不通风，又有变压器等发热源时，装置的环境温度即有可能达到50℃ 以上，即便散热也很难保证晶闸管温升小于80℃。在加了散热器、风扇以及温控回路后，需要的补偿柜内的安装空间更大，装配非常麻烦，可靠性也随之降低。而且由于晶闸管投切时会产生谐波电流，引起系统谐振后还会被放大，导致晶闸管损坏。

因此，对于类似户外公变或专变下的无功补偿柜，以及散热不好的配电室内，尽量不要安装这种双向晶闸管构成的无触点开关。

1.3 复合开关

这是一种融合了接触器和双向晶闸管优点的新型电容器投切开关。将接触器和双向晶闸管并联在一起。其工作原理为利用晶闸管的快速特性作为投切开关，而接触器则作为电流持续通过时的开关。在需要投入电容器组时，先由晶闸管在电压过零时投入，防止合闸涌流的产生，然后再投入接触器，使其处于同晶闸管并联工作的状态;当系统稳定后再将晶闸管退出，由接触器承受运行电流;在需要退出电容器组时，先将晶闸管导通，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;最后切除品闸管的触发信号，使晶闸管在电流过零时自然关断。

使用双向晶闸管构成的无触点开关和复合开关的补偿装置，由于是采用过零投切，因此使用这两种方式的补偿装置电容器损坏的几率较小。对于谐波较重的场合，为防止谐振，若要使用复合开关，应先考虑滤波。

为保证晶闸管的使用安全，通常晶闸管选取的VRSM反向峰值电压和， 通态电流至少是它所承受的系统额定电压和电流的2.5倍，甚至还要高。当然也要受成本的限制，双向晶闸管构成的无触点开关和复合开关的价格通常是接触器的3—4.5倍。若参数再选高，则成本又会急剧增加。

2 电容器

2.1 自愈式并联电容器结构特性

目前使用的电容器大都为自愈式并联电容器。这类电容器采用金属化聚丙烯薄膜绕卷而成。这种材料使得电容器在被击穿短路后，能利用短路产生的热量将周围的金属层熔化蒸发，使绝缘特性很快得以恢复，电容器能够继续使用。即具有自愈功能。

实际应用中，采用三相角形联结并一体化封装的结构电容器比较常见。三相角形联结便于自动滤除三次谐波，一体化封装则便于安装。这类电容器两端通常会并联一只小电阻，作为电容器的放电回路。要求在电源断开后30S，电容器两端电压小于65 V。另外还可装设压力保险，防止爆炸。

但事实上电容器损坏还是较多，甚至引起事故扩大。其主要原因在于电容器投切时产生的过电压、过电流以及温度等。而产生过压过流的原因则是电容器的投切时间和频繁动作。

2.2 电容器使用寿命

对于使用接触器作为投切开关的无功补偿装置，不宜频繁进行电容器的投切。否则，投切时所产生的过电压和冲击电流将对电容器造成危害，缩短使用寿命。

一般认为，电压升高10% ，自愈式金属化并联电容器寿命降低一半。具体可用下式表示：

式中：U0—— 额定电压;

r—— 额定电压下的使用寿命;

U— — 实际施加电压;

r0—— 过电压下的使用寿命;

α—— 常数，一般取7—9。

而且投入电容器所产生的过电压，虽然是瞬时的，但对绝缘介质的影响却能够累积。

3 智能无功控制器

智能无功控制器的作用是采集相关的电压、电流，依照一定的控制策略，通过投切电容器组以实现控制目标。通常的控制目标为：功率因数、电压、无功功率或无功电流。大多数厂家产品的控制目标一项可通过定值设定，也可同时设定功率因数、电压。

控制器应尽量满足DL/T597—1996((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》等推荐标准中的各项要求。在实际应用中，根据用户情况以下功能应重点考滤。

3.1 过压、过流的保护功能

电压、电流越限定值可设定。在电压、电流越限时可断开电容器。这样可避免电容器受到冲击，过早损坏。若具有谐波超标保护功能，则能避免谐振的影响，对电容器也会起到很好的保护。另外，投切时间的设置应能满足电容器完全放电的时间要求。

当然，若元件损坏的损失小于无功补偿不够的损失另当别论。

3.2 轻载自动识别

对于负载很轻的时候，很可能投入一组电容器就过补，退出就欠补，形成振荡投切。控制器应能很容易地解决此问题。用户也可视情况通过改小电容器容量。设置目标功率因数来解决。

3.3 电流判相功能

由于电流互感器的电流接线会影响装置对功率方向的判断，为方便接线及设备维护，控制器应能自动识别电流方向。

3.4 电磁兼容性能强

由于处于典型的工业环境中，智能无功控制器应完成静电干扰、快速瞬变脉冲群抗干扰、浪涌等电磁兼容型式试验项目，试验等级应为3级。在无功补偿柜集中招标中，对控制器应明确提出此要求。

对于直接暴露于大容量变压器等强电磁干扰环境中的控制器若出现显示花屏、无故复位等问题时，有理由怀疑为电磁干扰。可考虑更换控制器，增加屏蔽或在装置电源回路中串人滤波器等措施来解决。

4 方案设计

在低压无功补偿方案设计中，应对用户的负荷情况进行仔细分析研究，尤其是对工况特殊的用户。装置选择上应遵循技术可靠，运行业绩良好，经济适用的原则。现举两个实例予以说明。

4.1 一纺织厂进行无功补偿改造

变压器容量为315 kVA，补偿容量为8组25 kvar。最初采用双向晶闸管构成的无触点开关。使用不到三个月即发现晶闸管损坏。在对元件进行更换后不到2个月，再次发生晶闸管大面积损坏。调查中发现，用户负荷中5次谐波电流占总电流12.6% ，严重时电容会发生尖叫。.谐波源来自于厂内的织机。怀疑为谐波引发谐振导致晶闸管损坏。

后晶闸管送厂家检验后也证明为过电流损坏。向用户推荐加装滤波装置，但用户认为一次性投资太大，不予采纳，宁愿接受每月罚款和元件更换。后再次对无功补偿柜改造，将双向晶闸管构成的无触点开关改为接触器。改造后也曾出现接触器触点烧毁，电容器损坏等情况，但相比晶闸管损坏频率降低。

4.2 一电机生产厂搬迁用电改造

原变压器容量为315 kVA，补偿容量为15 kvar固定补偿，8组25 kvar循环投切，采用接触器投切。后变压器容量改为500 kVA，无功补偿未变，计量表计改为三相三线电子式多功能电能表。结果发现倒送无功，功率因素仅0.36。经调查发现，厂内现仅余办公负荷，无其他生活用电15 kvar。

固定补偿容量太大，因为老的计量表是止逆的，即便有无功倒送也不能发现。新表则表示得很清楚。将固定补偿容量改为5 kvar后正常。

5 结语

无功补偿中，要想经济可靠地完成补偿，方案设计具有重要作用，但需要对用户的实际情况进行详细分析，针对具体工况选择适当的装置。在使用方式确定后，装置生产厂家都能制定参数明确的技术方案，对同类产品综合比较后应能得到较好的达到补偿效果，实现最大的综合经济效益。