隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，大量的居住樓盤、高檔商場(chǎng)、賓館、辦公樓等民用建筑在城市中拔地而起，使城市用電量快速增長(zhǎng)。但是，在這些民用建筑場(chǎng)所內(nèi)使用的多為單相電感性負(fù)荷，因其自身功率因數(shù)較低，在電網(wǎng)中滯后無(wú)功功率的比重較大。為保證降低電網(wǎng)中的無(wú)功功率，提高功率因數(shù)，保證有功功率的充分利用，提高系統(tǒng)的供電效率和電壓質(zhì)量，減少線路損耗，降低配電線路的成本，節(jié)約電能，通常在低壓供配電系統(tǒng)中裝設(shè)電容器無(wú)功補(bǔ)償裝置。本文主要通過(guò)工作中所遇到的實(shí)際情況對(duì)無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞阶鞒隽朔治龊捅容^。

1  低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的作用

    (1)  提高電網(wǎng)及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備所需容量，減少不必要的損耗。
    (2)  穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高電網(wǎng)質(zhì)量。而在長(zhǎng)距離輸電線路中安裝合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及輸電能力。
    (3)  在三相負(fù)載不平衡的場(chǎng)合，可對(duì)三相視在功率起到平衡作用。

2  低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制條件

    舊型號(hào)裝置多選用cosφ為檢測(cè)量，然而cosφ并不能準(zhǔn)確地反映電網(wǎng)中無(wú)功分量大小。在重載時(shí)，雖然無(wú)功分量大，但由于在總負(fù)荷中占比重小，cosφ也較小，甚至低于系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)恼ㄖ担箍刂蒲b置作出不補(bǔ)償?shù)臎Q定；在輕載時(shí)，無(wú)功分量不大，但功率因素有可能大，使控制裝置作出補(bǔ)償?shù)臎Q定，投入后造成過(guò)補(bǔ)，又要切除電容造成投切振蕩。故新型的控制器已不再選用cosφ為單一的控制檢測(cè)量，主要的控制條件如下：

    (1)  功率因數(shù)控制，小電流閉鎖。
    (2)  功率因數(shù)控制無(wú)功功率或無(wú)功電流限制。
    (3)  無(wú)功功率或無(wú)功電流控制。
    (4)  電壓、無(wú)功綜合控制。

    在以上條件中，對(duì)于cosφ作為檢測(cè)量的加入限制措施，另有一新型裝置是以無(wú)功電流（無(wú)功功率）作為檢測(cè)物理量的，它們直接檢測(cè)負(fù)荷側(cè)的無(wú)功電流，根據(jù)其大小，計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)該投入補(bǔ)償?shù)碾娙萘浚倥c裝置自身所帶的電容量和級(jí)數(shù)相比較，得出正確的組合投切方案，采用開(kāi)環(huán)控制，依次投切補(bǔ)償電容進(jìn)入電網(wǎng)。這種投切電容器控制策略尤其適合于分相補(bǔ)償和幅度變化緩慢的負(fù)荷。

3  無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方式

根據(jù)不同的控制方式，主要有以下幾種補(bǔ)償方式：

(1)  動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

    采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)难b置其動(dòng)態(tài)特性應(yīng)滿足脈沖式無(wú)功負(fù)荷快速、頻繁動(dòng)作的補(bǔ)償要求。

(2)  靜態(tài)補(bǔ)償

    適合對(duì)固定或緩慢變化的無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)  三相補(bǔ)償

    適合于三相相對(duì)平衡的無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。

(4)  分相補(bǔ)償

    適合于三相不平衡無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。

    由于低壓配電網(wǎng)絡(luò)三相不平衡，因此供電部門應(yīng)采用三相補(bǔ)償（共補(bǔ)）和分相補(bǔ)償（分補(bǔ)）相結(jié)合的裝置，對(duì)于普通民用負(fù)荷和商業(yè)負(fù)荷，可采用較為遲鈍的滯后控制策略，減少超調(diào)，以免頻繁投切電容器，影響電網(wǎng)和用戶設(shè)備的安全運(yùn)行，對(duì)于有大的沖擊性負(fù)荷的工業(yè)用戶，可應(yīng)用靈敏的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置。

4  無(wú)功補(bǔ)償控制器

    無(wú)功功率補(bǔ)償控制器，即無(wú)功補(bǔ)償裝置的指揮系統(tǒng)，它首先要對(duì)電網(wǎng)的電壓、電流量進(jìn)行采集，通過(guò)中央處理器的快速運(yùn)算，得到電網(wǎng)的有功功率、無(wú)功功率、無(wú)功電流、功率因數(shù)等參數(shù)，經(jīng)計(jì)算再根據(jù)參數(shù)設(shè)定值發(fā)出投切指令，控制投切開(kāi)關(guān)的動(dòng)作，從而控制電容器組的投切。同時(shí)采樣方式的選擇、參數(shù)的設(shè)定、裝置器件的保護(hù)等均通過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

控制器除具有無(wú)功補(bǔ)償功能以及過(guò)壓、過(guò)流、失壓、斷相、過(guò)熱保護(hù)功能外，還具有以下一些功能：

    •  測(cè)量功能：可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三相電壓、電流、功率因數(shù)、無(wú)功功率、投切等情況。
    •  查詢功能：可現(xiàn)場(chǎng)或短距離查詢?nèi)嚯妷骸㈦娏鳌⒐β室驍?shù)、無(wú)功功率、投切狀態(tài)、高次諧波分量等數(shù)據(jù)。
    •  數(shù)據(jù)通信：裝置上設(shè)有RS-232通訊接口或無(wú)線通訊接口，可以擴(kuò)展通訊功能。
    •  投切方式：具有手動(dòng)與自動(dòng)的投切功能。
    •  斷電保護(hù)：當(dāng)變壓器出現(xiàn)停電的情況時(shí)，本裝置可以有效的保護(hù)數(shù)據(jù)，不至于丟失。
    •  斷電恢復(fù)：當(dāng)變壓器恢復(fù)送電時(shí)，本裝置可自動(dòng)地恢復(fù)到停電前的狀態(tài)運(yùn)行。
    •  諧波保護(hù)：當(dāng)測(cè)量的諧波分量不在設(shè)定的限值內(nèi)，電容將不投入或者陸續(xù)退出運(yùn)行。
    •  數(shù)據(jù)紀(jì)錄：至少可記錄45天各相整點(diǎn)時(shí)刻的電壓、電流、功率因數(shù)、無(wú)功功率、投切等情況，各天的電壓峰谷值及出現(xiàn)時(shí)間、電流峰谷值及出現(xiàn)時(shí)間、有功功率峰谷值及出現(xiàn)時(shí)間、無(wú)功功率峰谷值及出現(xiàn)時(shí)間、每天電容器組的投切等情況等。
    •  人機(jī)對(duì)話：控制器界面設(shè)計(jì)友好，投運(yùn)前用戶可以預(yù)先設(shè)置投入門限、切除門限、過(guò)壓值、欠壓值、延時(shí)時(shí)間及互感器變比等參數(shù)，同時(shí)也可通過(guò)面板進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢。
    •  配套分析軟件進(jìn)行分析：可計(jì)算電壓合格率、三相電流不平衡率等。查詢?nèi)我鈺r(shí)段參數(shù)；繪制各相電壓、電流、功率因數(shù)、無(wú)功功率、有功功率等曲線圖；能打印分析曲線及統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

5  投切開(kāi)關(guān)電器

    投切開(kāi)關(guān)是低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置中最容易損壞的關(guān)鍵元器件，在《低壓并聯(lián)電容器裝置訂貨技術(shù)》中對(duì)開(kāi)關(guān)有以下描述：

    •  對(duì)于半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)電器，其達(dá)零電壓不大于15V，投入涌流（峰值）不大于1.5倍單組電容器額定電流。
    •  對(duì)于機(jī)械開(kāi)關(guān)電器，主觸點(diǎn)應(yīng)帶有抑制涌流的過(guò)渡電阻，投入涌流（峰值）不大于10倍單組電容器額定電流。
    •  以上元器件，其額定工作電流（有效值）應(yīng)不小于2倍單組電容器額定電流。
    
    (1)  第一代的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置采用普通交流接觸器作為并聯(lián)電容器的投切開(kāi)關(guān)，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(kāi)。
    ③  涌流過(guò)大對(duì)電容器本身有害，會(huì)影響使用壽命。

    因?yàn)殡娙萜魍度腚娋W(wǎng)的瞬間，其初始態(tài)端電壓為零，一下子投入電網(wǎng)中，將造成巨大的浪涌電流，可以為器件額定電流的數(shù)十至百倍以上，因此導(dǎo)致交流接觸器和電容器本身受到大電流沖擊而損壞。

其后發(fā)展的帶預(yù)投電阻的CJ19型電力電容專用接觸器，其浪涌電流仍為電容器額定電流的9~10倍。

    (2)  第二代低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置采用雙向可控硅（晶閘管）、固態(tài)繼電器來(lái)投切電容器，它們是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件。

    優(yōu)點(diǎn)：過(guò)零觸發(fā)，無(wú)拉弧，動(dòng)作時(shí)間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于頻繁投切的場(chǎng)合。

缺點(diǎn)：

    ①  雙向晶閘管成本高。
    ②  晶閘管開(kāi)關(guān)電路在運(yùn)行時(shí)比交流接觸器有較大的壓降，運(yùn)行中的電能損耗和發(fā)熱問(wèn)題不可忽視。一般晶閘管在運(yùn)行時(shí)有1V的壓差，如投入15kvar的電容器（電流為21.7A），則損耗的功率為P=3×1×21.7=65W，假設(shè)60kvar的無(wú)功補(bǔ)償電容柜全部投入運(yùn)行，則P損耗=260W，以平均每天投運(yùn)8小時(shí)，則耗電量為2.08kWh，有功損耗的發(fā)熱量還會(huì)增加整個(gè)補(bǔ)償裝置的溫升，這樣會(huì)影響電子元器件（包括電容）的使用壽命，因此這類型產(chǎn)品一般加裝軸流風(fēng)機(jī)和大面積的散熱板以利于散熱。
    ③  晶閘管電路本身也是諧波源，晶閘管在過(guò)零時(shí)有一個(gè)死區(qū)電壓造成電壓電流的不連續(xù)性，產(chǎn)生諧波。
    ④  晶閘管對(duì)過(guò)載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)，而且其負(fù)載特性與環(huán)境溫度成明顯反比，溫度升高，負(fù)載能力將迅速下降。

(3)  第三代低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置采用復(fù)合開(kāi)關(guān)。

    基本工作原理是將可控硅與接觸器并接，使復(fù)合開(kāi)關(guān)在接通和斷開(kāi)的瞬間具有可控硅過(guò)零投切的優(yōu)點(diǎn)，而在正常接通期間又具有接觸器無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)品主要具有以下技術(shù)特點(diǎn)：

①  過(guò)零投切

    復(fù)合開(kāi)關(guān)的基本工作原理是將可控硅開(kāi)關(guān)與磁保持繼電器并接，實(shí)現(xiàn)電壓過(guò)零導(dǎo)通和電流過(guò)零切斷，使復(fù)合開(kāi)關(guān)在接通和斷開(kāi)的瞬間具有可控硅開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，而在正常接通期間又具有接觸器開(kāi)關(guān)無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)方法是：投入時(shí)是在電壓過(guò)零瞬間可控硅先過(guò)零觸發(fā)，穩(wěn)定后再將磁保持繼電器吸合導(dǎo)通，由于在此之前觸點(diǎn)兩端已有可控硅處于導(dǎo)通態(tài)，因此繼電器的觸點(diǎn)間電壓僅為可控硅的導(dǎo)通電壓1V左右，所以繼電器觸點(diǎn)幾乎是處于空載操作，而不會(huì)產(chǎn)生觸點(diǎn)火花使觸點(diǎn)受損，當(dāng)繼電器接入后一段時(shí)間，可控硅退出運(yùn)行，此后的穩(wěn)定工作狀態(tài)由繼電器來(lái)承擔(dān)，因此不會(huì)如可控硅導(dǎo)通時(shí)那樣產(chǎn)生諧波和熱量；而切出時(shí)是先將磁保持繼電器斷開(kāi)，可控硅延時(shí)過(guò)零斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零切除。

②  采用單片機(jī)控制投切并智能監(jiān)控可控硅、磁保持繼電器以及輸入電源和負(fù)載的運(yùn)行狀況，從而具備完善的保護(hù)功能。

    •  電壓故障缺相保護(hù)：系統(tǒng)電壓缺相供電時(shí)，開(kāi)關(guān)拒絕閉合；接通后若出現(xiàn)缺相則自動(dòng)退投；
    •  電源電壓缺相保護(hù)：工作電源缺相供電時(shí)，開(kāi)關(guān)拒絕閉合；接通后若出現(xiàn)缺相則自動(dòng)退投；
    •  自診斷故障保護(hù)：系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控可控硅、磁保持繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，若其出現(xiàn)故障，則拒絕閉合或自動(dòng)退投斷開(kāi)；
    •  空載保護(hù)：未接負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)拒絕閉合；
    •  停電保護(hù)：接通后遇突然停電時(shí)，自動(dòng)跳閘斷開(kāi)。

③  無(wú)諧波注入

    由于導(dǎo)通瞬間是由可控硅過(guò)零觸發(fā)，延時(shí)后由繼電器吸合、導(dǎo)通，而繼電器吸合導(dǎo)通就不會(huì)產(chǎn)生諧波。

④  功耗小

    由于采用了磁保持繼電器，控制裝置只在投切動(dòng)作瞬間耗電，平時(shí)不耗電；且由于磁保持繼電器的接觸電阻小，因而不發(fā)熱，這樣就不用外加散熱片或風(fēng)扇，降低了成本。徹底避免了可控硅的燒毀現(xiàn)象，同時(shí)也對(duì)同機(jī)運(yùn)行的其它電器不造成危害，真正達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

⑤  輸入信號(hào)與復(fù)合開(kāi)關(guān)光電隔離

抗干擾能力強(qiáng)，工作安全可靠。

6  低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝補(bǔ)償方式

    0.4kV電網(wǎng)利用并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆绞接屑醒a(bǔ)償，分散補(bǔ)償（分組補(bǔ)償）和用戶終端補(bǔ)償三種。

6.1  集中補(bǔ)償

    這種方式是將電容器組裝在配電變壓器或配電室的低壓母線上，宜采用箱式或柜式戶內(nèi)裝置，其優(yōu)點(diǎn)是：

    (1) 可以就地補(bǔ)償變壓器的無(wú)功功率損耗，由于減少了變壓器的無(wú)功電流，相應(yīng)地減少了變壓器容量，即可增加變壓器所帶的有功負(fù)荷。
    (2) 可以就近供應(yīng)380V配電線路的前段部分及所帶用電設(shè)備的無(wú)功功率損耗。
    (3) 便于集中控制。
缺點(diǎn)是不能減少用戶內(nèi)部通過(guò)配電線路向用電設(shè)備輸送無(wú)功功率所造成的損耗。

6.2  分組補(bǔ)償

    這種補(bǔ)償方式是將電容器直接與低壓干線相聯(lián)接，形成低壓電網(wǎng)內(nèi)部的多組分散補(bǔ)償，這種方式是被補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率，不再通過(guò)主干線以上線路輸送，從而使變壓器和配電主干線路的無(wú)功功率損耗相應(yīng)地減少，因此分組補(bǔ)償比集中補(bǔ)償降損節(jié)能效益顯著，尤其是當(dāng)用電負(fù)荷點(diǎn)較多，而且距離較遠(yuǎn)時(shí)，補(bǔ)償效率更高。

    優(yōu)點(diǎn)：有利于對(duì)配電變壓器所帶的無(wú)功負(fù)荷進(jìn)行分區(qū)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率就地平衡，減少無(wú)功功率在配變變壓器以下配電線路中的流動(dòng)，使線損顯著降低。一般采用箱式戶外裝置。

    缺點(diǎn)：分組補(bǔ)償方式的一次性投資大于集中補(bǔ)償方式。

    對(duì)于分組補(bǔ)償?shù)奈恢茫话阗Y料介紹是補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)應(yīng)距線路端為線路全長(zhǎng)2/3處，事實(shí)上，根據(jù)無(wú)功潮流分布圖和極值方法得知：在無(wú)功負(fù)荷是沿線路均勻分布的條件下，單點(diǎn)補(bǔ)償?shù)淖罴盐恢檬俏挥诰嗑€路首端為線路全長(zhǎng)2/3處，補(bǔ)償容量為全線所需無(wú)功容量的2/3，此時(shí)線損下降值達(dá)到最大為88.9%。

    而如果采用兩點(diǎn)補(bǔ)償，則第一補(bǔ)償點(diǎn)應(yīng)在距首端2/5處，第二補(bǔ)償點(diǎn)在距首端4/5處，兩處的補(bǔ)償容量為2/5倍線路所需無(wú)功容量，此時(shí)線損下降值為96%。而在實(shí)際上，無(wú)功負(fù)荷并非沿線路均勻分布，此計(jì)算結(jié)果只能作為參考。

6.3  低壓用戶終端補(bǔ)償

    這種補(bǔ)償方式是直接將補(bǔ)償電容器與用戶終端相連接，進(jìn)行低壓負(fù)荷的直接就地補(bǔ)償，如在住宅樓配電箱進(jìn)線處或集中抄表的隔離開(kāi)關(guān)箱處進(jìn)行補(bǔ)償，這種補(bǔ)償方式使無(wú)功功率不在住宅樓以外的低壓配電網(wǎng)干線/支線上流動(dòng)，使低壓配電網(wǎng)線路上的無(wú)功功率損耗降到最小，達(dá)到最佳的補(bǔ)償效果。一般采用箱式戶外裝置。

優(yōu)點(diǎn)：用戶無(wú)功功率就地補(bǔ)償，使無(wú)功功率不在低壓配電網(wǎng)干線上流動(dòng)，達(dá)到最好的降損效果。

缺點(diǎn)：投資大，裝置維護(hù)復(fù)雜。

    由于低壓用戶終端的負(fù)荷、波動(dòng)幅度大，而且負(fù)荷容量較少，因此必須采用分相補(bǔ)償和不同的無(wú)功電容投切策略，而且低壓終端無(wú)功電容補(bǔ)償裝置安裝分散，沒(méi)有專人管理，因此，這類型裝置必須有以下特點(diǎn)：

    (1) 控制保護(hù)功能齊，抗干擾能力強(qiáng)，裝置運(yùn)行穩(wěn)定，少維護(hù)或免維護(hù)。
    (2) 體積小，不發(fā)熱，適于在小空間范圍內(nèi)掛墻安裝。
    (3) 造價(jià)低，由于低壓終端補(bǔ)償裝置的用量較大，只有投資合理，才具有大規(guī)模推廣的前提條件。

7  低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向

    由于各地電網(wǎng)質(zhì)量的復(fù)雜性，無(wú)功投切的條件不能滿足現(xiàn)在的需要，同時(shí)數(shù)據(jù)的抄取也相當(dāng)?shù)穆浜螅S著電子技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，投切的條件將向著自動(dòng)識(shí)別負(fù)荷情況，制定合適的判斷限值，而測(cè)量的數(shù)據(jù)也可通過(guò)先進(jìn)的無(wú)線通信方式進(jìn)行遠(yuǎn)程抄取，例如CDMA、GSM、GPRS、通信電纜以及光纖等。展現(xiàn)在人們面前的就是一個(gè)完美的配網(wǎng)自動(dòng)化，值班人員可實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行線路的負(fù)荷情況、電容的投切情況以及出現(xiàn)的故障，及時(shí)作出搶修措施和電網(wǎng)優(yōu)化方案。

8  結(jié)語(yǔ)

    在0.4kV配電網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償見(jiàn)效快，投資少。供電部門應(yīng)根據(jù)實(shí)際用電負(fù)荷情況選擇補(bǔ)償方式，并將集中補(bǔ)償、分組補(bǔ)償和用戶終端補(bǔ)償三者結(jié)合起來(lái)，全盤考慮，采用相對(duì)應(yīng)合適容量的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，這樣才能取得滿意的降損效果。