控制网

    随着国家经济的发展和人民生活水平的提高，大量的居住楼盘、高档商场、宾馆、办公楼等民用建筑在城市中拔地而起，使城市用电量快速增长。但是，在这些民用建筑场所内使用的多为单相电感性负荷，因其自身功率因数较低，在电网中滞后无功功率的比重较大。为保证降低电网中的无功功率，提高功率因数，保证有功功率的充分利用，提高系统的供电效率和电压质量，减少线路损耗，降低配电线路的成本，节约电能，通常在低压供配电系统中装设电容器无功补偿装置。本文主要通过工作中所遇到的实际情况对无功自动补偿的方式作出了分析和比较。

1  低压无功补偿装置的作用

    (1)  提高电网及负载的功率因数，降低设备所需容量，减少不必要的损耗。
    (2)  稳定电网电压，提高电网质量。而在长距离输电线路中安装合适的无功补偿装置可提高系统的稳定性及输电能力。
    (3)  在三相负载不平衡的场合，可对三相视在功率起到平衡作用。

2  低压无功补偿装置的控制条件

    旧型号装置多选用cosφ为检测量，然而cosφ并不能准确地反映电网中无功分量大小。在重载时，虽然无功分量大，但由于在总负荷中占比重小，cosφ也较小，甚至低于系统补偿的整定值，使控制装置作出不补偿的决定；在轻载时，无功分量不大，但功率因素有可能大，使控制装置作出补偿的决定，投入后造成过补，又要切除电容造成投切振荡。故新型的控制器已不再选用cosφ为单一的控制检测量，主要的控制条件如下：

    (1)  功率因数控制，小电流闭锁。
    (2)  功率因数控制无功功率或无功电流限制。
    (3)  无功功率或无功电流控制。
    (4)  电压、无功综合控制。

    在以上条件中，对于cosφ作为检测量的加入限制措施，另有一新型装置是以无功电流（无功功率）作为检测物理量的，它们直接检测负荷侧的无功电流，根据其大小，计算系统应该投入补偿的电容量，再与装置自身所带的电容量和级数相比较，得出正确的组合投切方案，采用开环控制，依次投切补偿电容进入电网。这种投切电容器控制策略尤其适合于分相补偿和幅度变化缓慢的负荷。

3  无功补偿装置的补偿方式

根据不同的控制方式，主要有以下几种补偿方式：

(1)  动态补偿

    采用动态补偿的装置其动态特性应满足脉冲式无功负荷快速、频繁动作的补偿要求。

(2)  静态补偿

    适合对固定或缓慢变化的无功负荷进行补偿。

(3)  三相补偿

    适合于三相相对平衡的无功负荷进行补偿。

(4)  分相补偿

    适合于三相不平衡无功负荷进行补偿。

    由于低压配电网络三相不平衡，因此供电部门应采用三相补偿（共补）和分相补偿（分补）相结合的装置，对于普通民用负荷和商业负荷，可采用较为迟钝的滞后控制策略，减少超调，以免频繁投切电容器，影响电网和用户设备的安全运行，对于有大的冲击性负荷的工业用户，可应用灵敏的动态补偿装置。

4  无功补偿控制器

    无功功率补偿控制器，即无功补偿装置的指挥系统，它首先要对电网的电压、电流量进行采集，通过中央处理器的快速运算，得到电网的有功功率、无功功率、无功电流、功率因数等参数，经计算再根据参数设定值发出投切指令，控制投切开关的动作，从而控制电容器组的投切。同时采样方式的选择、参数的设定、装置器件的保护等均通过控制器来实现。

控制器除具有无功补偿功能以及过压、过流、失压、断相、过热保护功能外，还具有以下一些功能：

    •  测量功能：可实时监测三相电压、电流、功率因数、无功功率、投切等情况。
    •  查询功能：可现场或短距离查询三相电压、电流、功率因数、无功功率、投切状态、高次谐波分量等数据。
    •  数据通信：装置上设有RS-232通讯接口或无线通讯接口，可以扩展通讯功能。
    •  投切方式：具有手动与自动的投切功能。
    •  断电保护：当变压器出现停电的情况时，本装置可以有效的保护数据，不至于丢失。
    •  断电恢复：当变压器恢复送电时，本装置可自动地恢复到停电前的状态运行。
    •  谐波保护：当测量的谐波分量不在设定的限值内，电容将不投入或者陆续退出运行。
    •  数据纪录：至少可记录45天各相整点时刻的电压、电流、功率因数、无功功率、投切等情况，各天的电压峰谷值及出现时间、电流峰谷值及出现时间、有功功率峰谷值及出现时间、无功功率峰谷值及出现时间、每天电容器组的投切等情况等。
    •  人机对话：控制器界面设计友好，投运前用户可以预先设置投入门限、切除门限、过压值、欠压值、延时时间及互感器变比等参数，同时也可通过面板进行数据的查询。
    •  配套分析软件进行分析：可计算电压合格率、三相电流不平衡率等。查询任意时段参数；绘制各相电压、电流、功率因数、无功功率、有功功率等曲线图；能打印分析曲线及统计报表。

5  投切开关电器

    投切开关是低压无功补偿装置中最容易损坏的关键元器件，在《低压并联电容器装置订货技术》中对开关有以下描述：

    •  对于半导体开关电器，其达零电压不大于15V，投入涌流（峰值）不大于1.5倍单组电容器额定电流。
    •  对于机械开关电器，主触点应带有抑制涌流的过渡电阻，投入涌流（峰值）不大于10倍单组电容器额定电流。
    •  以上元器件，其额定工作电流（有效值）应不小于2倍单组电容器额定电流。
    
    (1)  第一代的低压无功补偿装置采用普通交流接触器作为并联电容器的投切开关，其缺点是：

    ①  投入电容时产生倍数较高的涌流，容易在接触器的触点处产生火花，烧损触头。
    ②  切断电容时，容易粘住触头，造成拉不开。
    ③  涌流过大对电容器本身有害，会影响使用寿命。

    因为电容器投入电网的瞬间，其初始态端电压为零，一下子投入电网中，将造成巨大的浪涌电流，可以为器件额定电流的数十至百倍以上，因此导致交流接触器和电容器本身受到大电流冲击而损坏。

其后发展的带预投电阻的CJ19型电力电容专用接触器，其浪涌电流仍为电容器额定电流的9~10倍。

    (2)  第二代低压无功补偿装置采用双向可控硅（晶闸管）、固态继电器来投切电容器，它们是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件。

    优点：过零触发，无拉弧，动作时间短，可大幅度地限制电容器合闸涌流，特别适合于频繁投切的场合。

缺点：

    ①  双向晶闸管成本高。
    ②  晶闸管开关电路在运行时比交流接触器有较大的压降，运行中的电能损耗和发热问题不可忽视。一般晶闸管在运行时有1V的压差，如投入15kvar的电容器（电流为21.7A），则损耗的功率为P=3×1×21.7=65W，假设60kvar的无功补偿电容柜全部投入运行，则P损耗=260W，以平均每天投运8小时，则耗电量为2.08kWh，有功损耗的发热量还会增加整个补偿装置的温升，这样会影响电子元器件（包括电容）的使用寿命，因此这类型产品一般加装轴流风机和大面积的散热板以利于散热。
    ③  晶闸管电路本身也是谐波源，晶闸管在过零时有一个死区电压造成电压电流的不连续性，产生谐波。
    ④  晶闸管对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器进行保护，而且其负载特性与环境温度成明显反比，温度升高，负载能力将迅速下降。

(3)  第三代低压无功补偿装置采用复合开关。

    基本工作原理是将可控硅与接触器并接，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅过零投切的优点，而在正常接通期间又具有接触器无功耗的优点。产品主要具有以下技术特点：

①  过零投切

    复合开关的基本工作原理是将可控硅开关与磁保持继电器并接，实现电压过零导通和电流过零切断，使复合开关在接通和断开的瞬间具有可控硅开关的优点，而在正常接通期间又具有接触器开关无功耗的优点。其实现方法是：投入时是在电压过零瞬间可控硅先过零触发，稳定后再将磁保持继电器吸合导通，由于在此之前触点两端已有可控硅处于导通态，因此继电器的触点间电压仅为可控硅的导通电压1V左右，所以继电器触点几乎是处于空载操作，而不会产生触点火花使触点受损，当继电器接入后一段时间，可控硅退出运行，此后的稳定工作状态由继电器来承担，因此不会如可控硅导通时那样产生谐波和热量；而切出时是先将磁保持继电器断开，可控硅延时过零断开，从而实现电流过零切除。

②  采用单片机控制投切并智能监控可控硅、磁保持继电器以及输入电源和负载的运行状况，从而具备完善的保护功能。

    •  电压故障缺相保护：系统电压缺相供电时，开关拒绝闭合；接通后若出现缺相则自动退投；
    •  电源电压缺相保护：工作电源缺相供电时，开关拒绝闭合；接通后若出现缺相则自动退投；
    •  自诊断故障保护：系统自动监控可控硅、磁保持继电器的运行状态，若其出现故障，则拒绝闭合或自动退投断开；
    •  空载保护：未接负载时开关拒绝闭合；
    •  停电保护：接通后遇突然停电时，自动跳闸断开。

③  无谐波注入

    由于导通瞬间是由可控硅过零触发，延时后由继电器吸合、导通，而继电器吸合导通就不会产生谐波。

④  功耗小

    由于采用了磁保持继电器，控制装置只在投切动作瞬间耗电，平时不耗电；且由于磁保持继电器的接触电阻小，因而不发热，这样就不用外加散热片或风扇，降低了成本。彻底避免了可控硅的烧毁现象，同时也对同机运行的其它电器不造成危害，真正达到了节能降耗的目的。

⑤  输入信号与复合开关光电隔离

抗干扰能力强，工作安全可靠。

6  低压无功补偿装置的安装补偿方式

    0.4kV电网利用并联电容器进行无功补偿的方式有集中补偿，分散补偿（分组补偿）和用户终端补偿三种。

6.1  集中补偿

    这种方式是将电容器组装在配电变压器或配电室的低压母线上，宜采用箱式或柜式户内装置，其优点是：

    (1) 可以就地补偿变压器的无功功率损耗，由于减少了变压器的无功电流，相应地减少了变压器容量，即可增加变压器所带的有功负荷。
    (2) 可以就近供应380V配电线路的前段部分及所带用电设备的无功功率损耗。
    (3) 便于集中控制。
缺点是不能减少用户内部通过配电线路向用电设备输送无功功率所造成的损耗。

6.2  分组补偿

    这种补偿方式是将电容器直接与低压干线相联接，形成低压电网内部的多组分散补偿，这种方式是被补偿的无功功率，不再通过主干线以上线路输送，从而使变压器和配电主干线路的无功功率损耗相应地减少，因此分组补偿比集中补偿降损节能效益显著，尤其是当用电负荷点较多，而且距离较远时，补偿效率更高。

    优点：有利于对配电变压器所带的无功负荷进行分区控制，实现无功功率就地平衡，减少无功功率在配变变压器以下配电线路中的流动，使线损显著降低。一般采用箱式户外装置。

    缺点：分组补偿方式的一次性投资大于集中补偿方式。

    对于分组补偿的位置，一般资料介绍是补偿地点应距线路端为线路全长2/3处，事实上，根据无功潮流分布图和极值方法得知：在无功负荷是沿线路均匀分布的条件下，单点补偿的最佳位置是位于距线路首端为线路全长2/3处，补偿容量为全线所需无功容量的2/3，此时线损下降值达到最大为88.9%。

    而如果采用两点补偿，则第一补偿点应在距首端2/5处，第二补偿点在距首端4/5处，两处的补偿容量为2/5倍线路所需无功容量，此时线损下降值为96%。而在实际上，无功负荷并非沿线路均匀分布，此计算结果只能作为参考。

6.3  低压用户终端补偿

    这种补偿方式是直接将补偿电容器与用户终端相连接，进行低压负荷的直接就地补偿，如在住宅楼配电箱进线处或集中抄表的隔离开关箱处进行补偿，这种补偿方式使无功功率不在住宅楼以外的低压配电网干线/支线上流动，使低压配电网线路上的无功功率损耗降到最小，达到最佳的补偿效果。一般采用箱式户外装置。

优点：用户无功功率就地补偿，使无功功率不在低压配电网干线上流动，达到最好的降损效果。

缺点：投资大，装置维护复杂。

    由于低压用户终端的负荷、波动幅度大，而且负荷容量较少，因此必须采用分相补偿和不同的无功电容投切策略，而且低压终端无功电容补偿装置安装分散，没有专人管理，因此，这类型装置必须有以下特点：

    (1) 控制保护功能齐，抗干扰能力强，装置运行稳定，少维护或免维护。
    (2) 体积小，不发热，适于在小空间范围内挂墙安装。
    (3) 造价低，由于低压终端补偿装置的用量较大，只有投资合理，才具有大规模推广的前提条件。

7  低压无功补偿装置的发展方向

    由于各地电网质量的复杂性，无功投切的条件不能满足现在的需要，同时数据的抄取也相当的落后，随着电子技术和通信技术的不断发展，投切的条件将向着自动识别负荷情况，制定合适的判断限值，而测量的数据也可通过先进的无线通信方式进行远程抄取，例如CDMA、GSM、GPRS、通信电缆以及光纤等。展现在人们面前的就是一个完美的配网自动化，值班人员可实时了解现场运行线路的负荷情况、电容的投切情况以及出现的故障，及时作出抢修措施和电网优化方案。

8  结语

    在0.4kV配电网络上进行无功补偿见效快，投资少。供电部门应根据实际用电负荷情况选择补偿方式，并将集中补偿、分组补偿和用户终端补偿三者结合起来，全盘考虑，采用相对应合适容量的低压无功补偿装置，这样才能取得满意的降损效果。