近年來(lái)，在城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的實(shí)施過(guò)程中，低壓并聯(lián)電容器無(wú)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(duì)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(wú)功補(bǔ)償裝置開發(fā)中的若干技術(shù)問(wèn)題和發(fā)展方向進(jìn)行討論，以供參考。
1、低壓補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)
低壓無(wú)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(duì)
單臺(tái)補(bǔ)償問(wèn)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(lái)主要有以下幾方面：
（1）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(wú)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；
（3）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(zhǎng)使用年限。
2、△－y共補(bǔ)與分補(bǔ)相結(jié)合的接線
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(guó)內(nèi)外制造廠對(duì)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)為50mv／m，如用厚7μm的金屬化膜，工作場(chǎng)強(qiáng)為57．14m v／m，而230v的電容器，如維持與上述的工作場(chǎng)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(duì)230v電容器一般是采取降低工作場(chǎng)強(qiáng)的設(shè)計(jì)，按照國(guó)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。
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(chǎng)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.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(duì)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(chǎng)強(qiáng)低，壽命較長(zhǎng)，且整個(gè)裝置只用一個(gè)規(guī)格的電容器，互換性強(qiáng)。
3、并聯(lián)電容器的投切開關(guān)
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(guò)大對(duì)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。
2.晶閘管開關(guān)電路
采用雙向晶閘管的無(wú)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(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，特別適合于繁投切的場(chǎng)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(wèn)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(wú)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)3．906kw·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(duì)低壓電網(wǎng)的波形不利。因此，除了對(duì)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。
3.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(duì)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(wú)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.電壓投零電流切的新型無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)電路
等電壓投零電流切的新型無(wú)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(shuō)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)。
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(guó)低壓配電網(wǎng)中獲得廣泛的應(yīng)用，效果是滿意的。
4、智能型自動(dòng)控制器
1.檢測(cè)量和控制目標(biāo)
檢測(cè)量主要有cosφ、無(wú)功功率q和無(wú)功電流iq三種，80年代中期多選用以cosφ為檢測(cè)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(wú)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用以cosφ為檢測(cè)量。檢測(cè)量為q的控制器，其工作原理是將電壓和電流的信號(hào)送入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，以測(cè)出q＝uisinφ，由于檢測(cè)量和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上是合理的，但檢測(cè)難度要大些。檢測(cè)量為iq的控制器，利用了相電壓u由正到負(fù)過(guò)零的瞬間，恰好就是a相無(wú)功電流最大值iqmax的原理，用相電壓u負(fù)過(guò)零信號(hào)控制，采用開關(guān)和簡(jiǎn)單的保持電路，以完成對(duì)iq實(shí)時(shí)檢測(cè)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，不會(huì)發(fā)生震蕩，補(bǔ)償效果與電網(wǎng)電壓的波動(dòng)無(wú)關(guān)。
2.檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置方案
有兩種選擇方案：①控制器輸入電壓和電流信號(hào)的檢測(cè)點(diǎn)設(shè)在補(bǔ)償設(shè)備的前端，如圖7中的a點(diǎn)處；②檢測(cè)點(diǎn)設(shè)在補(bǔ)償設(shè)備后端如圖7中的b點(diǎn)處。
檢測(cè)點(diǎn)a由于不能直接檢測(cè)負(fù)載的無(wú)功功率，不易實(shí)現(xiàn)多組電容器的一次快速投切，通常采用逐級(jí)漸進(jìn)的投切方式，較慢地達(dá)到應(yīng)補(bǔ)償值，因此僅適用于負(fù)載運(yùn)行較平穩(wěn)，無(wú)大容量沖擊負(fù)載，不需要快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合。如接于檢測(cè)點(diǎn)b，其優(yōu)點(diǎn)是僅根據(jù)負(fù)載q和iq測(cè)得值，決定電容器投入組數(shù)，是一種只管投切，不控制補(bǔ)償后實(shí)際效果的控制方式，其優(yōu)點(diǎn)是控制方式簡(jiǎn)單，可一次快速投切多組電容器，缺點(diǎn)是靜態(tài)補(bǔ)償?shù)木容^差。有關(guān)專家還提出了兼顧兩者優(yōu)點(diǎn)的閉合控制方式，即檢測(cè)點(diǎn)設(shè)在a處，檢測(cè)補(bǔ)償后的無(wú)功功率δq，又通過(guò)δq求得負(fù)載的全部無(wú)功功率q，即完全補(bǔ)償時(shí)所需投入的全部電容器的無(wú)功功率，這種由變動(dòng)量求總和的設(shè)想，可通過(guò)微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，又因可一次投入應(yīng)投的全部電容器，獲得快速的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性，是目前公認(rèn)的比較理想方案。
3.對(duì)自動(dòng)控制器性能及質(zhì)量的要求
目前全國(guó)大約有200多家企業(yè)生產(chǎn)無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制器，其中多數(shù)是技術(shù)水平很低、缺乏較齊全的檢測(cè)設(shè)備，生產(chǎn)批量小，質(zhì)量難以保證的家庭作坊式小廠。為了提高自動(dòng)控制器的技術(shù)性能和可靠性，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)dl／t597－1996《低壓無(wú)功補(bǔ)償器訂貨技術(shù)條件》，對(duì)控制器的基本功能提出以下要求：①應(yīng)具有電容器投入及切除門限設(shè)定值、延時(shí)設(shè)定值、過(guò)電壓保護(hù)設(shè)定值的設(shè)置功能；②對(duì)可按設(shè)定程序投切的控制器，應(yīng)具有投切程序設(shè)置功能；③面板功能鍵的操作應(yīng)有容錯(cuò)功能；④面板的設(shè)置應(yīng)具有硬件或軟件閉鎖功能。為了提高控制器工作的可靠性還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①控制器應(yīng)有防止在小負(fù)載情況下出現(xiàn)投切震蕩的措施；②合理簡(jiǎn)化控制器的電路設(shè)計(jì)，元器件數(shù)量越多，電路越復(fù)雜，則控制器的故障率越高；③減少一些控制器本身不必要附加功能，例如自動(dòng)和手動(dòng)的切換，電容器故障的報(bào)警等功能均應(yīng)由控制器轉(zhuǎn)移到無(wú)功補(bǔ)償屏上；④選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的單片機(jī)和電子元器件；⑤注意自動(dòng)控制器抗電磁干擾的能力；⑥合理選擇檢測(cè)量和控制方案。
4.配電綜合測(cè)控儀和無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制器一體化
無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制器和配電綜合測(cè)控儀的一體化問(wèn)題是城網(wǎng)改造提出的配電網(wǎng)自動(dòng)化問(wèn)題，運(yùn)行單位往往要求在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無(wú)功補(bǔ)償?shù)牡蛪弘娙萜骱团潆娋C合測(cè)控儀。以北京首電科技研制的sdpd－2000配電綜合測(cè)控儀為例，兼具配電變壓器運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹悄芸刂坪捅Ｗo(hù)等兩大功能。數(shù)據(jù)采集的范圍包括：電壓、電流、功率因數(shù)、有功及無(wú)功功率、有功及無(wú)功電量、諧波電壓、諧波電流，每日電壓和負(fù)載電流的最大值和最小值，停電時(shí)刻、來(lái)電時(shí)刻及累計(jì)停電時(shí)間，每相過(guò)電壓、欠電壓及缺相時(shí)間等參數(shù)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存期為2個(gè)月。且具有rs232／485通訊接口，可采用現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程采集的方式。顯示方面采用液晶顯示器，全中文直觀顯示配電變壓器運(yùn)行的有關(guān)參數(shù)。無(wú)功補(bǔ)償智能化控制方面取樣的物理量為負(fù)載的無(wú)功功率q；可對(duì)δ－y電容器組的任意組合方式進(jìn)行調(diào)節(jié)；防止無(wú)功投切震蕩及補(bǔ)償呆區(qū)；當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生過(guò)電壓、欠電壓、缺相、諧波或零序電流超標(biāo)及電容器溫升超標(biāo)時(shí)，快速切除補(bǔ)償電容器。
5、應(yīng)用實(shí)例
以一臺(tái)400kva配電變壓器為例，2015年1月8日的運(yùn)行記錄如表1所示。
注：補(bǔ)償后線損降低（δps％）的計(jì)算公式：