低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)分析

，，，，

（1.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180；2.蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇蘇州215104）

1 引言

電力系統(tǒng)中為了降低線路損耗、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量，通常在用戶端或變電所進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱補(bǔ)償裝置）簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、易于控制是無(wú)功功率補(bǔ)償最為常用的方法。

補(bǔ)償裝置是低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的特殊類別。它既有成套設(shè)備的一般特性，同時(shí)又有電容器、電抗器、控制器等元件的特殊要求。IEC 61439系列是低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，闡明了其使用條件、結(jié)構(gòu)要求、技術(shù)性能和試驗(yàn)?？紤]到GB/T 15576—2008［1］（下簡(jiǎn)稱 15576）與 IEC 60439—1：1999［2］（下簡(jiǎn)稱IEC 60439—1）的關(guān)聯(lián)性，隨著 IEC 61439—1 Edition 2.0［3］（下簡(jiǎn)稱 IEC 61439—1）的國(guó)產(chǎn)化，低壓補(bǔ)償裝置的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)做出相應(yīng)調(diào)整。本文通過(guò)IEC 61439—1（IEC 61439—1有3種驗(yàn)證方式，本文僅討論試驗(yàn)驗(yàn)證verification test。）與IEC 60439—1的差異給出了涉及補(bǔ)償裝置新增及變動(dòng)的試驗(yàn)項(xiàng)目。隨著對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的提升，抑制涌流與諧波在補(bǔ)償裝置中有了更高要求。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際試驗(yàn)分析了電抗器對(duì)補(bǔ)償支路電氣參量的影響以及對(duì)涌流、諧波、溫升試驗(yàn)的影響，并對(duì)15576中部分有待完善電氣性能試驗(yàn)條款進(jìn)行分析，由于IEC 61439不涉及15576中電氣性能試驗(yàn)部分，所以439系列標(biāo)準(zhǔn)換版對(duì)此部分沒(méi)有影響。希望得出的結(jié)論對(duì)生產(chǎn)企業(yè)制定技術(shù)條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)有所幫助。

2 15576有變化的試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1 IEC 61439—1新增的試驗(yàn)項(xiàng)目

2.1.1 材料與部件的強(qiáng)度

IEC 61439—1對(duì)空殼體的要求與試驗(yàn)和IEC 62208/GB/T 20641［4］基本等同。IEC 61439—1 增加了針對(duì)殼體的以下試驗(yàn)：耐腐蝕、絕緣材料耐熱性、灼熱絲、耐老化、提升、機(jī)械沖擊、標(biāo)志試驗(yàn)。

15576中所涉及殼體試驗(yàn)的部分為7.17基本環(huán)境試驗(yàn)，包含環(huán)境溫度、耐老化、耐腐蝕3項(xiàng)試驗(yàn)。IEC 61439—1中耐腐蝕與耐老化試驗(yàn)與15576中的相同點(diǎn)在于試驗(yàn)方法基本相同，需要注意的是IEC 61439—1耐腐蝕性試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)B與15576中對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)細(xì)節(jié)不同：一為2個(gè)12合計(jì)24 d的存儲(chǔ)；另一為12和14合計(jì)26 d的存儲(chǔ)。不同之處為IEC 61439—1中的此兩項(xiàng)試驗(yàn)并不僅限于戶外型設(shè)備，而15576中的殼體試驗(yàn)僅考慮戶外型。

15576中7.17.1環(huán)境溫度性能試驗(yàn)?zāi)康臑榭己撕娮悠骷难a(bǔ)償裝置在規(guī)定的環(huán)境空氣溫度上限和下限情況下長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。IEC 61439—1中不含此項(xiàng)試驗(yàn)。

IEC 61439—1中的絕緣材料耐熱性、提升、機(jī)械沖擊、標(biāo)志、灼熱絲幾項(xiàng)試驗(yàn)為15576所不包含項(xiàng)目，這幾項(xiàng)試驗(yàn)在此不詳述見(jiàn)文獻(xiàn)［4］。

2.1.2 沖擊耐受電壓

IEC 60439—1中7.1.2.3.4和8.2.2.1給出了免除沖擊耐受電壓的條件，而IEC 61439—1中對(duì)于沖擊耐受電壓試驗(yàn)為強(qiáng)制性。有關(guān)試驗(yàn)方法見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。這里要注意的是對(duì)抽出式補(bǔ)償裝置在IEC 61439—2中對(duì)抽出式部件隔離位置的試驗(yàn)布置有特別要求。

2.2 有變化的試驗(yàn)項(xiàng)目

2.2.1 工頻耐受電壓

IEC 61439—1與IEC 60439—1關(guān)于同一額定絕緣電壓對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)電壓值有所變化。以補(bǔ)償裝置常見(jiàn)的額定絕緣電壓690 V為例，IEC 61439—1中試驗(yàn)電壓為1 890 V，而IEC 60439—1為2 500 V。

另外，對(duì)于試驗(yàn)用變壓器的輸出短路電流也有變化：IEC 61439—1要求試驗(yàn)用變壓器輸出端子短路時(shí)輸出電流至少200 mA，而IEC 60439—1只要求交流電源有足夠功率維持試驗(yàn)電流。

實(shí)際當(dāng)中，用于投切電容器的復(fù)合開(kāi)關(guān)或晶閘管開(kāi)關(guān)主要由電力電子元件組成，其相相之間耐壓一般達(dá)不到主回路相應(yīng)的要求。此處的試驗(yàn)布置宜在15576中有所描述。

2.2.2 防護(hù)等級(jí)

對(duì)于IPX1而言IEC 61439—1放寬了試驗(yàn)條件，允許以移動(dòng)滴水箱代替轉(zhuǎn)動(dòng)試品。IEC 60439—1嚴(yán)格按IEC 60529/GB 4208的要求不允許移動(dòng)滴水箱。

2.2.3 機(jī)械操作

IEC 61439—1對(duì)于機(jī)械操作的次數(shù)由IEC 60439—1的50次變?yōu)?00次。這對(duì)于補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)酷。

3 15576部分試驗(yàn)條款討論

3.1 諧波試驗(yàn)

3.1.1 電抗器

電抗器對(duì)于涌流、溫升、諧波等試驗(yàn)均有影響首先進(jìn)行討論。

圖1為補(bǔ)償裝置含電抗器支路單相示意圖。對(duì)于三相電路由于電源與負(fù)載的對(duì)稱性單相分析結(jié)果適用于三相。圖1中開(kāi)關(guān)S為補(bǔ)償支路保護(hù)器件和投切裝置的合并簡(jiǎn)化，由于支路各個(gè)元件間連接線很短故可認(rèn)為支路的電阻為零。XhL與XhC為電抗器、電容器在h次諧波下的阻抗值，h=1為基波條件，此時(shí)下標(biāo)1省略且XL?XC，并定義電抗率X%=XL/XC。

圖1 補(bǔ)償裝置支路示意圖Fig 1 Diagram of compensation assemblies′branch

串聯(lián)在補(bǔ)償裝置支路的電抗器用途主要為抑制涌流與濾波。抑制涌流利用了電抗器電流不能突變的原理，一般工程中采用電抗率為0.1%～1%的電抗器。實(shí)際中有很多補(bǔ)償裝置不配有串聯(lián)電抗器，此時(shí)系統(tǒng)電抗和變壓器漏抗起到了抑制涌流作用。當(dāng)補(bǔ)償裝置容量較大變壓器漏抗較小時(shí)，僅由系統(tǒng)的電抗便不能滿足抑制涌流的要求，從而需要加裝電抗器。濾波的基本原理是使電抗器與電容對(duì)某次諧波呈現(xiàn)低阻抗，即串聯(lián)諧振使得諧波電流被短路到本支路。此時(shí)電抗率的選擇要依據(jù)濾波次數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)而定。由于諧波無(wú)功功率尚未有定義。本文中無(wú)功功率僅指基波。

首先分析基波時(shí)的情況。

可見(jiàn)支路串聯(lián)電抗器后電容器端電壓和電流幅值與不串聯(lián)電抗器相比會(huì)隨電抗率增大而增大。對(duì)電容量不可調(diào)電容器而言其不變電氣參數(shù)為其電容量即C，在基頻下XC恒定。電容器額定電壓VCn，額定電流ICn，則額定容量額定電流ICn=VCn/XC，運(yùn)行容量一般情況下，制造商會(huì)選擇額定電壓大于補(bǔ)償裝置額定電壓的電容器，以留有設(shè)計(jì)上一定的裕度。但此時(shí)仍應(yīng)考慮當(dāng)X%增大導(dǎo)致VC＞VCn時(shí)，過(guò)壓過(guò)流給電容器帶來(lái)的危險(xiǎn)。另外當(dāng)補(bǔ)償裝置分支不串聯(lián)電抗器，即X%=0，QC一般小于QCn，說(shuō)明支路不帶串聯(lián)電抗器補(bǔ)償裝置的電容器運(yùn)行于其額定容量以下。

3.1.2 LC無(wú)源濾波基本原理

圖1中從電壓輸入端看支路在h次諧波下的阻抗值Zh=h·XL-XC/h=XC（h·X%-1/h）。諧振點(diǎn)

當(dāng)h2=1/X%或h2接近于1/X%支路對(duì)h次諧波電流呈現(xiàn)低阻抗，使得諧波電流不流入系統(tǒng)。

圖2為電氣系統(tǒng)諧波等效電路，這里將諧波源簡(jiǎn)化為電流源［5］。Xhs表示系統(tǒng)在h次諧波下的感抗，基頻下低壓系統(tǒng)感抗已不能認(rèn)為遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻。但本段中系統(tǒng)感抗為基頻值經(jīng)h倍放大而電阻在任何次諧波下為常量，故省略電阻部分。經(jīng)計(jì)算可得：

對(duì)h次諧波：當(dāng)XhL＞XhC即補(bǔ)償支路對(duì)h次諧波呈感性。補(bǔ)償支路起分流作用流入系統(tǒng)諧波電流減?。划?dāng)XhL=XhC補(bǔ)償支路對(duì)h次諧波短路，諧波電流完全流入補(bǔ)償支路；當(dāng)XhL＜XhC即補(bǔ)償支路對(duì)h次諧波呈容性。流入系統(tǒng)諧波情況隨（XhL-XhC）與Xhs關(guān)系而變化放大或縮小。不含電抗器電容器支路對(duì)諧波環(huán)境影響的分析方法及結(jié)論與上述類似有興趣的讀者可見(jiàn)文獻(xiàn)［5-6］。

圖2 電氣系統(tǒng)諧波等效電路Fig 2 The electric system harmonic equivalent circuit

由以上分析可知，補(bǔ)償支路對(duì)h次諧波呈容性時(shí)有放大系統(tǒng)諧波的可能性；濾波的設(shè)計(jì)要綜合考慮系統(tǒng)與補(bǔ)償裝置的參數(shù)。本段的分析認(rèn)為電容器與電抗器的物理參數(shù)不變，實(shí)際設(shè)計(jì)中要考慮這些參數(shù)隨環(huán)境參數(shù)比如：溫度、濕度、大氣壓等的變化。

3.1.3 15576中諧波標(biāo)準(zhǔn)評(píng)述

15576中對(duì)于諧波方面的標(biāo)準(zhǔn)主要引用文獻(xiàn)［7］，并按總諧波電流濾除率來(lái)區(qū)分濾波及抑制諧波。

文獻(xiàn)［7］中對(duì)于每個(gè)電壓等級(jí)下各次諧波電流均有限值要求，但實(shí)際使用或試驗(yàn)時(shí)由于系統(tǒng)短路阻抗及協(xié)議容量等參數(shù)難以確定，故各次電流諧波限值難以確定。文獻(xiàn)［7］中對(duì)于15576所適用的交流1 000 V及以下設(shè)備僅有380/400 V一檔電壓電流要求，而對(duì)于礦業(yè)常用的690 V及作者所接觸過(guò)的800 V，1 000 V柜體無(wú)任何規(guī)定。使得文獻(xiàn)［7］在部分試驗(yàn)條件下判據(jù)失效，例如對(duì)于額定電壓690 V帶濾波補(bǔ)償裝置的試驗(yàn)而言諧波電壓的判據(jù)不存在。由以上分析可知補(bǔ)償設(shè)備支路對(duì)某一次諧波有抑制或?yàn)V除作用時(shí)，對(duì)另一次諧波有放大可能。舉例：實(shí)踐中某補(bǔ)償裝置的總諧波電流及5次諧波電流在設(shè)備投入后減小但7次諧波電流增大。補(bǔ)償裝置目的為改善電能質(zhì)量，這種部分諧波電流被放大的情況明顯違背了初衷。更為合理的判定方法應(yīng)該將各次與總諧波電流綜合考慮。

從以上分析可知，當(dāng)一個(gè)補(bǔ)償裝置含有針對(duì)兩種及兩種以上諧波進(jìn)行濾波的分支時(shí)，各個(gè)分支不同的投切順序會(huì)對(duì)于系統(tǒng)諧波有不同影響。建議制造商給出相應(yīng)的投切順序，以免引起諧波放大。

3.2 溫升試驗(yàn)

15576中7.3規(guī)定溫升試驗(yàn)電壓應(yīng)使電容器支路電流不小于其額定電流，由3.1.1中可得出

即溫升試驗(yàn)分支電流大小可通過(guò)調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓幅值進(jìn)行改變。當(dāng)補(bǔ)償裝置支路含電抗器時(shí)電壓升高幅度要低于不含電抗器的情況。須注意V的升高有可能導(dǎo)致電容器過(guò)壓運(yùn)行。當(dāng)補(bǔ)償裝置中有多種額定電壓不同的電容器時(shí)由于各支路從同一母排取電單靠調(diào)節(jié)電壓幅值很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電流的要求。例如：額定電壓380 V的不含電抗器補(bǔ)償裝置分支含400 V和450 V兩種電容器。當(dāng)調(diào)節(jié)試驗(yàn)電壓為450 V時(shí)可滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)電流的要求，但此時(shí)部分電容已處于過(guò)壓狀態(tài)。

3.3 涌流試驗(yàn)

補(bǔ)償裝置分支合閘并入系統(tǒng)瞬間，將會(huì)產(chǎn)生高頻、高幅值的合閘涌流。涌流過(guò)大將會(huì)造成電容器損傷、保護(hù)裝置誤動(dòng)，其電動(dòng)力會(huì)造成設(shè)備結(jié)構(gòu)損傷，尤其對(duì)于頻繁投切的場(chǎng)所涌流的控制尤為重要。

按照線性動(dòng)態(tài)電路理論，圖1中開(kāi)關(guān)閉合后涌流大小與電源電壓、電容與電感的參數(shù)、電容器投入前電壓有關(guān)。涌流大小及分析方法見(jiàn)文獻(xiàn)［6，8］?？梢缘贸觯?dāng)在電源電壓瞬時(shí)值與幅值接近時(shí)投入產(chǎn)生涌流最大；補(bǔ)償支路的電抗器可以有效地減小涌流；由于電氣系統(tǒng)三相對(duì)稱性當(dāng)三相同一時(shí)刻合閘，三相電流不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大或最小，可以通過(guò)分相延時(shí)投切使得每一路涌流達(dá)到最小。

15576中未明確規(guī)定涌流的試驗(yàn)電壓，由于試驗(yàn)電壓幅值對(duì)合閘后電壓電流的影響很大所以試驗(yàn)電壓的規(guī)定尤為重要。實(shí)際使用或試驗(yàn)中隨著補(bǔ)償裝置各個(gè)分支的投入系統(tǒng)電壓逐步升高，此時(shí)至少應(yīng)對(duì)所考察支路投入時(shí)電壓進(jìn)行記錄以保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性；再者，涌流試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱吮Ｗo(hù)支路元件不受過(guò)流影響，考慮到電容的增壓作用所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)最后一路進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)際使用中由于系統(tǒng)電氣參量的瞬變性以及手動(dòng)投切的隨機(jī)性每一條支路均有可能作為最后一路。所以標(biāo)準(zhǔn)宜將“最后一路”改為對(duì)參數(shù)不同支路分別進(jìn)行試驗(yàn)。按電路理論涌流與電容投入前殘壓有關(guān)，且多數(shù)投切開(kāi)關(guān)對(duì)于連續(xù)兩次投切時(shí)間間隔也有定義，故試驗(yàn)時(shí)應(yīng)在電容器放電完畢后進(jìn)行或在制造商規(guī)定時(shí)間間隔后進(jìn)行。

3.4 其他

15576中試驗(yàn)條款7.1.6要求對(duì)機(jī)電開(kāi)關(guān)電容器投入時(shí)端電壓進(jìn)行測(cè)量，要求不大于電容器額定電壓10%；同時(shí)對(duì)裝置瞬態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行測(cè)量，要求在額定電壓以下。

此兩點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)中表達(dá)比較含混。實(shí)際上瞬態(tài)過(guò)電壓的測(cè)量可以結(jié)合涌流試驗(yàn)一并完成。而電容器再次投入殘壓需要標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步的說(shuō)明，其中原文“一定的延時(shí)時(shí)間”應(yīng)給出具體的要求。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)照IEC 61439—1與IEC 60439—1不同之處，給出了IEC 61439—1國(guó)產(chǎn)化后補(bǔ)償裝置標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)有可能要增加和修改的地方。其中主要增加了對(duì)殼體的試驗(yàn)。分析了電抗器在補(bǔ)償裝置中的用途，支路串聯(lián)電抗器對(duì)補(bǔ)償裝置性能有提升但對(duì)電容器運(yùn)行能力有所要求。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)諧波、涌流、溫升等試驗(yàn)中有待完善的地方提出了一些建議。

［1］GB/T 15576—2008低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置［S］北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］GB 7251.1—2005/IEC 60439—1∶1999低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備.第1部分：型式試驗(yàn)和部分型式試驗(yàn)成套設(shè)備［S］.北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［3］IEC 61439—1 Low-voltage Switchgear and Controlgear Assemblies-part 1：General Rules［S］.Edition 2.0 2011—08.

［4］GB/T 20641—2006/IEC 62208：2002低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備空殼體的一般要求［S］.北京：中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［5］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［6］電力行業(yè)電力電容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).并聯(lián)電容器裝置技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

［7］GB/T 14549—1993：電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

［8］鄧雨榮.無(wú)功補(bǔ)償電容器合閘過(guò)電壓及涌流的仿真計(jì)算［J］.廣西電力，2006（6）：6-9.