智能型低壓無功補(bǔ)償裝置若干問題的探討

1　前言

　　近年來，在城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的實(shí)施過程中，低壓并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方案有了重大的改進(jìn)和突破，取得了滿意的運(yùn)行效果。對提高供電電壓質(zhì)量，挖掘供電設(shè)備的潛力、降低線路損失及節(jié)能均起到積極的作用。本文就智能型低壓無功補(bǔ)償裝置開發(fā)中的若干技術(shù)問題和發(fā)展方向進(jìn)行討論，以供參考。

2　低壓補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)

　　低壓無功補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)模式主要有以下三種型式，①裝于低壓電動(dòng)機(jī)的單臺(tái)就地補(bǔ)償；②裝于配電變壓器低壓側(cè)的補(bǔ)償箱；③裝于企業(yè)配電房或車間以及高層建筑樓層配電間的自動(dòng)補(bǔ)償柜（如PGJ柜等）。限于篇幅，對單臺(tái)補(bǔ)償問題本文不作討論。低壓補(bǔ)償箱和補(bǔ)償柜的技術(shù)改進(jìn)和新技術(shù)應(yīng)用歸納起來主要有以下幾方面：
　　
　?。?）由三相共補(bǔ)到分相補(bǔ)償，以求達(dá)到更理想的補(bǔ)償效果；
　　（2）由單一的無功補(bǔ)償?shù)酵瑫r(shí)具有濾波及抑制諧波功能的補(bǔ)償裝置；
　?。?）從采用交流接觸器進(jìn)行投切，到選用晶閘管開關(guān)電路投切，以及發(fā)展為等電壓投、零電流切的最佳投切模式；
　　（4）智能型自動(dòng)補(bǔ)償控制器和配電變壓器的運(yùn)行記錄儀相結(jié)合；
　　（5）將低壓補(bǔ)償?shù)墓δ芗{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(diǎn)；
　　（7）選用干式或充SF6的自愈式并聯(lián)電容器，提高運(yùn)行可靠性，延長使用年限。

3　△－Y共補(bǔ)與分補(bǔ)相結(jié)合的接線

　　3．1　三相共補(bǔ)的接線

　　傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償都是采用三相共補(bǔ)的方式，根據(jù)控制器統(tǒng)一取樣，各相投入相同的補(bǔ)償容量，這種補(bǔ)償方式的接線如圖1所示。適用于三相負(fù)載基本平衡、各相負(fù)載的cosφ相近的網(wǎng)絡(luò)。為什么國內(nèi)外制造廠對三相共補(bǔ)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(jià)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(jià)格的原因和400V電容器極間工作電場強(qiáng)度較高的緣故。以400V的電容器為例，用厚8μm金屬化膜時(shí)，工作場強(qiáng)為50MV／m，如用厚7μm的金屬化膜，工作場強(qiáng)為57．14M V／m，而230V的電容器，如維持與上述的工作場強(qiáng)相近時(shí)，則必須選用更薄的金屬化膜，但4～5μm薄膜的價(jià)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(qiáng)的設(shè)計(jì)，按照國內(nèi)的通常價(jià)格，同容量的230V電容器的價(jià)格為400V電容器價(jià)格的2倍以上。

　　3．2　三相分補(bǔ)的接線

　　三相分補(bǔ)方式就是各相分別取樣，各相分別投入不同的補(bǔ)償容量。適用于各相負(fù)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(bǔ)的不同特點(diǎn)是：①單臺(tái)并聯(lián)電容器的額定電壓為230V，Y接；②控制器分相進(jìn)行工作，互不影響。當(dāng)然，其價(jià)格高于三相共補(bǔ)的裝置，一般要貴20％～30％。

　　3．3　Δ－Y共補(bǔ)與分補(bǔ)相結(jié)合的接線

　　從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，也可以采用電容器Δ－Y接線，即三相共補(bǔ)與三相分補(bǔ)相結(jié)合的接線方案如圖3所示。三相共補(bǔ)部分的電容器為Δ接線，三相分補(bǔ)部分的電容器為Y接線，例如某廠家Δ接電容器組的單臺(tái)電容器分別為400V，10、15、20、30kvar。Y接電容器組的單臺(tái)電容器分別為：230V，3、4、5、6、8、10kvar。這種接線方式的補(bǔ)償裝置，運(yùn)行方式機(jī)動(dòng)靈活，其成套價(jià)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(tái)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(shí)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(chǎn)品比較便宜，即使實(shí)際容量較名牌值小，但由于工作場強(qiáng)低，壽命較長，且整個(gè)裝置只用一個(gè)規(guī)格的電容器，互換性強(qiáng)。

4　并聯(lián)電容器的投切開關(guān)

　　4．1　交流接觸器

　　70年代廣泛應(yīng)用的PGJ補(bǔ)償柜，都是采用交流接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開關(guān)，迄今仍有沿用。其缺點(diǎn)是：①投入電容時(shí)產(chǎn)生倍數(shù)較高的涌流，容易在接觸器的觸點(diǎn)處產(chǎn)生火花，燒損觸頭；②切斷電容時(shí)，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(huì)影響使用壽命。當(dāng)時(shí)采用的措施是：（1）適當(dāng)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(hào)有CJ16、CJ19、CJ20C、B25C～B75C、CJ41等系列；③每臺(tái)電容器加裝串聯(lián)小電抗器，用以抑制涌流。

　　4．2　雙向晶閘管開關(guān)電路

　　采用雙向晶閘管的無觸點(diǎn)開關(guān)電路（又稱固態(tài)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(yōu)點(diǎn)是過零觸發(fā)，無拉弧，動(dòng)作時(shí)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(diǎn)：①采用雙向晶閘管制造成本高，晶閘管開關(guān)電路的補(bǔ)償柜價(jià)格要比采用接觸器的補(bǔ)償柜貴70％～80％左右；②晶閘管開關(guān)電路運(yùn)行時(shí)有較大的壓降，運(yùn)行中的電能損耗和發(fā)熱問題不可忽視。以BZMJ0．4－15－3并聯(lián)電容器為例，其額定電流為21．7A，如晶閘管開關(guān)的電壓降為1V時(shí)，3個(gè)晶閘管開關(guān)電路運(yùn)行時(shí)，損耗的功率為：P＝3×1×21．7＝65．1W，如補(bǔ)償柜的無功功率為90kvar，則全部投入時(shí)，晶閘管的功率損耗為65．1×6＝390．6W，以每天平均10h計(jì)，日耗電量達(dá)3．906kWmiddot;h。年耗量約為1426kW·h，有功消耗的發(fā)熱量還會(huì)增加整個(gè)補(bǔ)償裝置的溫升，而需采用相應(yīng)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(yīng)用對低壓電網(wǎng)的波形不利。因此，除了對晶閘管開關(guān)電路加以改進(jìn)外，還應(yīng)使之在完成開合閘操作后退出，仍由與之并聯(lián)的接觸器維持電容器的正常運(yùn)行。

　　4．3　晶閘管和二極管反并聯(lián)的開關(guān)電路

　　一個(gè)晶閘管和一個(gè)二極管反并聯(lián)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(jià)格低于晶閘管，故用一只晶閘管和一只二極管反并聯(lián)的無觸點(diǎn)開關(guān)電路制造成本較低，而技術(shù)性能相近，但反應(yīng)時(shí)間則較漫些，切除電容器時(shí)，從切除指令的輸出到工作任務(wù)的完成，可以在半周波內(nèi)完成，（即時(shí)間t≤10ms）。如采用圖4（b）的方案，由于二級(jí)管的不可控性，通常其切除時(shí)間要在0．5～1Hz之間，即切除時(shí)間t≤20ms。

　　4．4　等電壓投零電流切的新型無觸點(diǎn)開關(guān)電路

　　等電壓投零電流切的新型無觸點(diǎn)開關(guān)電路的接線如圖5所示，圖中J為交流接觸器的觸點(diǎn)。其運(yùn)行操作順序說明如下：當(dāng)投入電容器時(shí)，先由微電腦控制器發(fā)出信號(hào)給開關(guān)電路，使之在等電壓時(shí)投入電容器，微電腦的控制器緊接著又發(fā)信號(hào)給接觸器，使其觸點(diǎn)也閉合，將晶閘管開關(guān)電路短路，由于接觸器J閉合后的接觸電阻遠(yuǎn)小于開關(guān)電路導(dǎo)通時(shí)的電阻，達(dá)到了節(jié)能和延長開關(guān)電路使用壽命的目的。當(dāng)需要切除電容器時(shí)控制器先發(fā)信號(hào)給接觸器，使接觸器觸點(diǎn)J斷開，此時(shí)開關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，并由開關(guān)電路在電流過零時(shí)，將電容器切除。本方案的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行功耗低、涌流小、諧波影響小，制造成本低，開關(guān)電路和接觸器的使用壽命長。

　　4．5　兩相兩管開關(guān)電路投切的三相Δ形接線電容器組

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

5　智能型自動(dòng)控制器

　　5．1　檢測量和控制目標(biāo)

　　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(zhí)行手段是投切電容器，補(bǔ)償?shù)淖罱K目的是減少進(jìn)出電網(wǎng)的無功功率。此方案的主要缺點(diǎn)是：輕載時(shí)容易產(chǎn)生投切震蕩，重載時(shí)又不易達(dá)到充分補(bǔ)償，故新型的控制器已不再選