本文对低压配电网内无功功率补偿、谐波治理等技术的解决方案，以及成套装置中所需元器件的选型进行了简单的阐述。
关键词：滤波电抗器 滤波成套装置 谐波治理 谐波抑制器
1 前言
随着国民经济的快速发展和持续增长, 电力建设更是取得了令人瞩目的成就, 到2004年底, 我国电站装机容量已达到4.4亿kW, 年发电量达21870亿kW/h, 同比增长14.8%。但是电力需求的增长更是迅速, 电力供需矛盾日益突出, 去年用电高峰时期全国就有24个省、区拉闸限电, 同时由于大部分电力设施长期处于超负荷运行状态, 存在诸多安全隐患, 也出现了不少事故, 给国家和人民财产造成了很大的损失。今年(2005)用电量仍有大幅度的增加，高峰时的电力供应缺口更大(仅北京(2005)用电量仍有大幅度的增加，高峰时的电力供应缺口更大(仅北京2005)用电量仍有大幅度的增加，高峰时的电力供应缺口更大(仅北京地区今年用电高峰时的供电缺口就达到百万KW以上),电力供应紧张的形势更加严峻。
电力供应的严重不足已制约了国民经济发展的速度。而要缓解当前乃至今后一个时期电力供需之间的矛盾, 并从根本上解决问题, 除了国家及地方加大对电力建设的投资力度、增加发电量这一主渠道外, 节约用电、合理用电－采用各种节电措施, 最大限度地利用现有各种电力设施资源也是非常重要的、也是很有必要的。就是要开源与节流并举。 众所周知, 利用无功功率补偿技术来挖掘现有电力资源潜力, 是一种能够迅速见效的、切实可行的措施之一, 同时也能够节约大量的电力能源。
2 无功功率补偿技术应用方案的确定
2.1 无功功率补偿的概念
2.1.1无功功率和有功功率一样是输配电网中不可缺少的组成部分,无功功率对供电系统和负载系统的正常运行是十分重要的、也是必需的。
2.1.2由于电网中存在大量的感性负载,所以就需要供电部门提供足够的无功功率。如果这些无功功率都有发电机(厂)发出并通过长距离的输电线路传送到所需的地方, 这显然是不合理、不经济的,实际上也是不可能的。而合理的也是最有效的方法就是在需要无功功率的地方或附近产生(发出)无功功率, 即无功功率补偿。
2.2无功功率补偿的作用
2.2.1由于无功功率的存在, 对电网也会带来不利的影响, 主要表现在以下方面:
(1) 无功功率的增加, 导致电流的增大和视在功率的增加, 从而使发电机、变压器、起动及控制设备和导线等电气设备容量的增加。
(2)供电设备及线路损耗增加。
(3) 变压器及线路的电压降增大, 使供电网电压产生波动。在电网中, 有功功率的波动一般对电网电压的影响较小,电网电压的波动主要是无功功率的波动引起的。如果是冲击性无功功率负载, 还会使电网产生剧烈的波动, 甚至发生事故。
2.2.2无功功率补偿的作用就是要尽量减少无功功率对电网的影响。其作用主要有:
(1) 提高供电系统及负载的功率因数, 降低输电线路及用电设备的容量和负荷, 减少功率消耗。
(2) 稳定用电端及电网的电压, 提高供电质量, 增加输电系统的稳定性, 提高输电能力。
(3) 平衡三相负荷, 减少无功功率对电网的冲击。
2.3无功功率补偿的方法
随着电力电子控制技术和计算机应用技术的逐步成熟, 用于无功功率补偿的方法日益增多, 且补偿效果也越来越明显, 其带来的经济效益和社会效益也是巨大的。
2.3.1同步调相机
同步调相机是早期的无功功率补偿方法, 已实际应用数十年, 在电压和无功功率控制中发挥了非常重要的作用, 同步调相机不仅能补偿固定的无功功率, 对变化的无功功率也能进行动态的连续的补偿, 而且对于容性、感性无功功率均能起到补偿的作用。但由于其自身的诸多缺点, 使其应用越来越少, 目前已基本上遭淘汰, 被新的补偿方式所取代。
2.3.2并联电容器及其装置
在各种无功功率补偿方法中, 并联电容器由于其简单的结构, 方便、灵活的安装方法, 较低的运行费用和低廉的产品价格等方面的特点, 已使其成为当今无功功率补偿技术中使用的主导产品。尤其是随着电容器制造技术的日益成熟, 其质量水平、寿命等级、安全运行可靠性等指标得以大大提高;品种、规格也越来越齐全, 为补偿装置的设计和制作带来了极大的便利。故由其为主体制作的各种电容器补偿和滤波成套装置的应用领域也越来越广泛。已逐步取代了传统的同步调相机。
但是并联电容器也有其不足之处:例如, 只能分级补偿固定的无功功率(其补偿精度决定于电容器组中单台电容器的电容量), 而不能实现连续、线性的补偿。另外, 在系统中存在谐波时, 还可能与系统中的固有电抗产生并联谐振, 使谐波电流放大(可达额定电流的几倍甚至几十倍), 导致电容器及相关元器件和线路严重过载而烧毁。
2.4无功功率补偿的方式
按补偿装置的工作方式可分为:(1)三相共同补偿;(2)三相分别补偿;(3)共补、分补相结合的综合补偿;(4)三相不平衡补偿等几种。
2.5无功功率补偿方案的确定
根据供、用电系统的无功功率实际需求情况, 决定采取并联电容器进行无功功率补偿时, 要对所采用装置的类型及配置方案进行策划、设计、确认。在确定最终方案时需要考虑多方面的影响因素, 还要吸取现有各种装置运行的经验和教训。
因需要进行无功功率补偿的位置不同, 要达到的预期目标有所区别, 而负载的性质以及供、用电质量也不一样, 同时也要从经济角度(投资成本)去考虑, 所以要从实际情况出发对各种方案进行综合的评定, 从中选择出合适的方案来。
2.5.1在有条件的情况下或必需时, 要对拟补偿系统的电能质量进行测试, 分析和评估。这项工作需要专用的测试仪器并由专业技术人员来完成。这一点是非常重要的, 对于一个完整、有效的解决方案以及整套装置的设计和制作可以说是不可缺少的环节。而以前乃至现在大多数的补偿装置在设计制作之前都没有认真进行此项工作, 或者说有不少的生产企业根本就没有技术和能力进行此项工作, 在制作装置之前仅凭以往的经验或参考同行厂的样机。这是目前在运行的大多数无功功率补偿装置补偿效果不理想, 达不到设计的功能, 而且经常出现故障, 不能正常工作(有些已弃之不用), 乃至发生火灾事故的主要原因之一。另外, 在装置设计时, 所选元器件的质量以及各种元器件之间参数的匹配是否合理或组装工艺等也是很重要的原因。
2.5.2补偿装置是否需要配置谐波治理功能(抑制或吸收)
随着各种新型电子设备/装置(主要是非线性负载)的安装使用, 在大量消耗无功功率的同时还会产生大量的谐波, 对公用电网造成了很大的“污染”。由于谐波的产生和存在, 已对电网的安全运行及用电设备的安全带来很大的危害, 而由于谐波原因造成的电力事故和经济损失也是有目共睹的。“谐波”－这一电网的公害, 现已引起相关部门越来越多的关注。
(1)根据GB/T14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求, 必须对各种非线性负载注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。当负载产生谐波或供电系统中存在谐波且超标时, 则需要设置滤波无功补偿装置。反之, 则不需要。
(2)在有些场合, 虽然谐波未超过标准的规定, 但已影响到系统的正常工作时, 也需要设置滤波无功补偿装置。
(3)在一些特殊场合, 例如:医院、宾馆、写字楼、智能小区、民航、军事、科研、精密测量、矿山、码头、冶金等, 都应该设置滤波无功补偿装置, 甚至需要配置专用的滤波装置。
(4)在同一供电系统(同一变压器)中, 当非线性负载(整流/变频、中/高频等设备, 一般情况下是谐波源)容量占总容量的25%以上时, 就应该配置滤波无功补偿装置。
笔者认为:随着科学技术的不断发展, 我国工业化程度的逐步提高, 传统的无功功率补偿装置(这种方案纯由并联电容器组构成), 在越来越多的场合将不能正常的使用, 将逐步被具有滤波功能的补偿装置以及不断出现的新型装置所取代。
2.5.3补偿装置需要采用何种控制类型
(1)当需要无功功率补偿位置的供电质量较好; 负载的无功功率变化不大(负荷相对稳定); 系统中无谐波或谐波含量较少; 可考虑采用相对固定的控制方法(固定分组、循环投切)－静态无功补偿装置。
(2)对于负载无功功率变化较大(快)而且频繁的场合;系统中无谐波或谐波含量较少; 则需要进行动态控制(非固定分组、快速编码投切)—动态无功补偿装置。
(3)对于单台的大功率平衡性负载或相对集中的小型设备, 则可考虑采用静止的就地补偿装置。
2.5.4采用何种补偿方式
(1) 当三相电压/电流基本平衡时, 采用共补或分补的补偿方式。
(2) 当三相电压/电流不平衡时, 采用共补、分补相结合的综合补偿方式。
(3) 当三相电压/电流严重不平衡时, 采用三相不平衡的补偿方式。
3 补偿装置所需元器件的选取
补偿方案确定后, 就要对制作装置所需用的元器件进行功能、质量、价格等方面的分析和选取。此项工作对制作一套性能优良, 运行安全可靠的装置来讲是至关重要的, 是不能忽视的一个环节。因为同类元器件的生产厂家不计其数, 功能不尽相同, 价格也有很大的差别, 而产品质量或寿命之间的差异就更大了。所以, 当面对五花八门的同类产品时, 有关人员就不知如何选取了, 再由于所掌握的资料不全, 更有甚者只关注产品的价格因素, 而忽略了质量水平、性能指标, 以及产品功能等内在的因素, 故往往不能选择到最合适的元器件, 甚至错误地选用了不符合使用功能要求的元器件, 为装置的安全运行埋下了隐患。
3.1 控制器的选取
控制器是无功功率补偿装置中很重要的器件, 是成套装置的指挥系统, 它的质量优劣, 功能配置, 抗干扰能力等指标, 决定了整套装置运行的质量水平。而在无人值守的运行条件下(例如:箱式变电站等), 就显得尤其重要, 在选型时更要慎重。时更要慎重。更要慎重。
目前市场上控制器的品种很多, 型号不统一, 功能、价格的差别是很大的, 要在众多品牌的控制器中选择一种合适的, 首先要结合装置的具体情况从控制器所具有的各种功能以及控制物理量等方面来考虑, 同时也要关注价格因素。关于控制器的型号及控制物理量在有关行业标准DL/T597-1996中已有明确规定, 多数企业的产品是按此标准来命名的, 也有部分企业的产品是按自己的企业标准来命名的。无论产品型号如何命名, 关键是要视其基本功能和具体装置的配置方案来选取, 否则不是功能过剩(采购成本提高)就是功能不够而影响使用效果。
关于控制器的种类如何选择, 在有关标准DL/T842-2003中有相关的阐述。自动控制物理量可优先选择下列方式:(1)无功功率控制, 功率因数限制;(2)无功电流控制, 功率因数限制;(3)无功功率或无功电流控制, 电压限制。
另外, 经对已投入运行的补偿装置中控制器使用情况的调查发现:凡是低价格的控制器, 几乎都把功率因数作为控制物理量。在使用此类型控制器的装置中, 能够正常运行的比例很小, 故障率很高, 有的已弃之不用而改用手动控制。这是因为此类控制器的抗干扰能力较差, 同时由于采用功率因数作为控制物理量, 容易发生振荡投切, 致使接触器、电容器等元器件的损坏。在此提请有关人员关注。
3.2 投切器的选取
对于无功功率补偿装置来说, 选择何种电容器投切执行机构, 对整套装置的安全运行是至关重要的, 目前用于电容器投切的执行元件有多种, 归纳起来主要有：
(1)普通接触器
此种产品属早期的方案, 目前已基本淘汰不用。
(2)电容器专用接触器
此种产品是在普通接触器的基础上增加限流电阻或限流线圈的方案来限制合闸涌流的。由于此产品安装接线方便、运行费用低且价格低廉, 是目前市场上的主导产品。但此类产品仍然会产生投切涌流和关断时的过电压, 故仅适用于负载无功功率变化不大且不频繁、系统工作较平稳的场合。另外, 此类产品生产厂家重多, 名称、型号繁杂, 质量、价格相差很大, 请在选用时注意。
(3)无触点电子开关
此种产品是由晶闸管(可控硅)及过零触发、吸收保护等电路组成的投切器。随着动态无功功率补偿装置的推广应用, 制作技术的不断提高, 同时晶闸管模块的价格也大幅度下降, 使得该种投切器的应用量正逐步增加。但此类产品的组装工艺复杂、体积较大、功耗较高、发热严重(需配置专用散热器及排风扇)、价格偏高。而且在运行时会产生谐波, 对系统会产生一定的干扰和影响。
(4)机电一体化复合开关
此种产品是近年来发展起来的一种电容器投切器, 有分体组合式和一体化两种结构形式, 其投切原理是一样的。该产品综合了电容器专用接触器和无触点电子开关的优点并克服了两种产品的缺点。由于其独特的性能, 故发展很快。另外其产品系列逐步增加, 质量水平大幅提高, 制作成本也在下降, 大有取代电容器专用接触器和无触点电子开关的趋势。
3.3 并联电容器的选取
并联电容器是无功功率补偿装置的主体, 其质量的好坏, 运行的可靠性, 将直接影响整套装置的使用效果和寿命。要选择一种优质的电容器应从以下几个方面考虑：
(1)电容器额定电压的确定
由于并联电容器需要长期、全额在电网中工作, 而电容器的实际工作电压与其使用寿命又有直接的关系, 根据可靠性试验理论可知:当电容器的工作电压每提高10%, 其寿命将减少一半。所以, 确定电容器的额定电压是非常重要的。电容器额定电压的选取由下列因素决定:a. 供电网的电压水平;b. 谐波背景, 当电容器在含有谐波的环境下工作时, 谐波电压将叠加到电容器的基波电压上, 会使电容器的实际工作电压升高(Uc=U+SUi);c. 是否加装串联电抗器。为限制投切电容器时的合闸涌流, 为抑制谐波避免谐振或为消除(吸收)谐波, 都需要在电容器支路中串联电抗器。由电工学原理可知, 当电容器与电抗器组成串联回路再接入电网时, 电容器两端的电压将高于电网电压, 其升高幅度由所串联电抗器的电抗率(P)来决定:Uc=U/(1-P)
综合以上因素, 笔者认为在低压0.4kV电网中(变压器实际输出电压会高于0.4kV)设置的无功功率补偿装置中安装的电容器, 在一般情况下应选择额定电压为0.45kV系列的产品, 而用于谐波抑制或滤波装置中的电容器, 根据串联电抗器的电抗率不同, 其额定电压应选择0.48kV或0.525kV系列的产品。
(2)电容器额定温度等级的确定
电容器工作时其周围的温度(略高于环境温度), 对电容器使用寿命的影响是很大的, 因为, 根据绝缘材料的寿命理论:当电容器的工作温度每升高7-10℃时, 其寿命将缩短一半。但由于温度对电容器寿命的影响是缓慢的, 所以经常被忽视。
在电容器产品国家及行业标准中仅列出A、B、C、D四个温度等级, 而实际应用中, 有许多场合(如箱变、高温地区等)的环境温度已高于D级(+55℃)。这就要求设计人员在选择电容器时与相关制造厂进行沟通, 要求提供更高温度等级的产品。
(3)电容器额定容量及内部连接方式及结构的确定
当补偿装置的总容量及投切方式和组数确定后, 还需对单台电容器的电容量、外形结构尺寸、安装方式(垂直、水平)、以及内部连接形式(D、Y、Yn、Ⅲ)和填充料种类(干式、油渍式)等参数进行选择。
并联电容器输出的无功功率与其工作电压的平方成正比, 当实际工作电压与额定电压不一致时, 其实际输出的无功功率与其额定值是不相等的, 实际输出无功功率可用下式表述:Qc=(Uc/Un)2.Qn
由于采用补偿方式不同, 需要电容器内部连接的方式有所不同, 根据需要, 电容器内部可接成D、Y、Yn、Ⅲ等形式。而由于装置安装位置(如:在地下供、用电设施,易然、易爆环境中安装使用的电容器)安全等级的要求,有时需要干式、无油化的电容器。关于低压电容器的选用,在国家相关行业规范中已有明确的规定:根据“民用建筑电气设计规范”(JGJ/T16)的要求,设置在民用主体建筑中的低压电容器应采用非可燃性油浸式或干式电容器。在特殊情况下还会因为柜体尺寸的限制, 电容器体积需要小型化, 且能够进行水平方向安装。
圆柱形金属(铝)外壳电容器能够极大限度地满足以上要求, 已经越来越多地被多种成套装置所选用， 尤其是在大容量(比如补偿容量大于300kvar)的补偿柜中及小体积就地补偿柜中, 则是唯一选择。圆柱形电容器因其具有诸多的优点, 而被越来越多的人们所认识和接受,而用圆柱形电容器组装制作的补偿柜,不久将会逐步取代采用传统结构电容器组装的补偿柜,必将成为无功补偿领域的主导产品。
另外,由北京江海胜业电力科技有限公司采用圆柱形电容器研发的一种模块化低压电容器补偿、滤波组件(详见专题介绍),已于近期投放市场。该模块的推广应用,将为成套补偿装置(柜)的制作方式(组装工艺)带来巨大的变化。
3.4 串联电抗器的选取
随着电网污染程度的加重，为保证补偿装置安全可靠的运行，需要加装串联电抗器以抑制或滤除谐波，同时也限制了电容器投切时产生的涌流。
电抗器与电容器组成串联回路后, 也需要长期承受不断增加的负荷, 如果电抗器的质量不好, 就会在运行中过度发热, 尤其是工作在谐波环境下的电抗器发热将更加严重, 将可能导致发生火灾事故。
对于电抗器的质量对补偿装置安全运行的影响, 现在许多人的认识是不够的, 尤其是在低压电网系统中。另外, 由于电抗器的价格较高, 在选用时经常会选择体积较小, 价格便宜的产品, 而往往不是最佳方案。从物理学角度来讲, 要保证电抗器长期安全可靠地运行, 足够的导线截面积和绕组的设计选取是基本的前提。
电抗器的电抗率及电感值是要经过严格计算并经修正后确定的， 不能随意选取， 否则不但达不到预期的效果， 反而会带来危害(可能产生谐振而引起谐波电流放大)。关于电抗器的电抗率的选取, 在相关的标准中都有相应的描述。通常情况下， 用于限制涌流的电抗器其电抗率在0.1%~1%之间选取;用于谐波抑制(失谐)回路的电抗器其电抗率在4.5%以上选取;用于谐波滤除(调谐)回路的电抗器其电抗率则需要根据所滤除谐波的次数, 通过计算得出。
3.5 保护元件的选取
对于一套优质的补偿装置， 除需在额定的工作条件下安全运行外，还要保证在外部系统异常或故障时，能够自行保护， 这就要求装置具有良好的保护系统。这一点， 在实际应用中是非常重要的，一定要引起足够的重视。
在装置中起保护作用的元件主要有:控制器内部的各种保护功能(过压、欠压、缺相、小电流、谐波越限等)，熔断器， 热继电器,，断路器， 温控开关，排风扇， 放电电阻(线圈)， RC吸收组件， 散热器等。各种保护元件规格的选用， 要经过严格的设计、计算，慎重选取， 过大、过小都是不合理的。若选取不当，不但起不到保护作用，反会带来危害。
4. 结束语：
无功功率补偿, 谐波治理技术是当前乃至今后相当长的时期内, 缓解电力供需矛盾, 改善供电质量的一种行之有效的手段之一, 经广泛推广应用后, 能为国家和用户带来巨大的经济效益和良好的社会效益。愿越来越多的相关企业和致力于我国节能产品的有志之士, 共同来投入到这一宏大的事业中来, 为国民经济的发展, 社会的进步, 做出应有的贡献。
