電抗補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用

童靚 ， 胡洪江

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.寧國賽寶核心基礎(chǔ)零部件產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，安徽 寧國 242300；3.廣州賽睿檢測設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

在電力電網(wǎng)系統(tǒng)上，采用電容補(bǔ)償技術(shù)是必不可少的，其主要作用是無功補(bǔ)償或者功率因數(shù)補(bǔ)償。電力系統(tǒng)的用電設(shè)備在使用時(shí)會產(chǎn)生無功功率，而且通常是電感性的，它會使電源的容量使用效率降低；通過在系統(tǒng)中適當(dāng)?shù)卦黾与娙莸姆绞骄涂梢愿纳七@種狀態(tài)。

本文闡述的電抗補(bǔ)償與電力電容補(bǔ)償有異曲同工之處。電抗補(bǔ)償一般應(yīng)用在交流電動機(jī)電容器耐久性試驗(yàn)設(shè)備和抑制電源電磁干擾用固定電容器交流耐久性試驗(yàn)中，在試驗(yàn)的電容器樣品上增加電抗可以大大地降低電源功率和減少電量的損耗。

1 電抗補(bǔ)償?shù)幕驹?/h2>

a） 電抗器 （L）

電抗器也被稱為電感器，通常是把導(dǎo)線繞成線圈，以增強(qiáng)線圈內(nèi)部的磁場。磁場也儲存能量，因此電抗器是一種能夠儲存磁能的部件。其電壓與電流的關(guān)系為：U=LdI/dt（L為電抗器感量），該公式表明：在某一時(shí)刻電抗的電壓取決于此時(shí)刻電流的變化量。在電抗器中，其電流滯后電壓90°。

電抗器也屬于阻抗元件，其阻抗被稱為感抗，計(jì)算公式為：ZL=2πfL。

b） 電容器 （C）

電容器是由兩片金屬極板用介質(zhì)隔開所構(gòu)成的。在外電源的作用下，極板上便能分別聚集等量的異性電荷，形成電場。在這過程中外電源所輸出的功應(yīng)等于電容器所儲存的能量。因此，電容器也是一種能夠儲存電能的部件。其電壓與電流的關(guān)系為：I=CdU/dt（C為電容器容量），該公式表明：在某一時(shí)刻電容的電流取決于此時(shí)刻電壓的變化量。在電容器中，其電流超前電壓90°。

電容器也屬于阻抗元件，其阻抗被稱為容抗，計(jì)算公式為：ZC=1/2πfC。

c）電路中的自由振蕩[1]

如果一個(gè)電路由一只電抗和一只電容組成 （如圖1所示），則該電路中將會產(chǎn)生自由振蕩現(xiàn)象。

圖1 LC電路中能量的振蕩

假設(shè)電容的初始電壓為U0，電抗的初始電流為零。顯然，在初始時(shí)刻，能量全部儲于電容中，電抗中沒有儲能。這時(shí)電路的電流雖然為零，但電流的變化率不為零，這是因?yàn)殡娍闺妷罕仨毜扔陔娙蓦妷?，電容的電壓不為零，電抗電壓也就不為零；而電抗電壓的存在，意味著dI/dt≠0。因此，電流將開始增大，原來儲存于電容中的能量將發(fā)生轉(zhuǎn)移。隨著電抗電流的增大、電容放電，能量逐步地轉(zhuǎn)移到電抗的磁場中。當(dāng)電容的電壓下降到零的瞬間，電抗電壓也為零，因而dI/dt=0，電流達(dá)到了最大值I，此時(shí)儲能全部轉(zhuǎn)入到電抗中。由于電抗電流不能躍變，電路中的電流將從I逐步地減小，電容在這樣電流的作用下又被充電。當(dāng)電抗中的電流下降到零的瞬間，能量又再度全部儲于電容中。這意味著上述過程可以不斷地重復(fù)進(jìn)行，形成周而復(fù)始的振蕩，這種振蕩被稱之為自由振蕩。

d）LC諧振

在圖1所示的電路中，當(dāng)ZL=ZC時(shí)，電路將產(chǎn)生諧振。此時(shí)，電抗儲存的磁場能量與電容儲存的電場能量相等，產(chǎn)生的自由振蕩的幅度相同。在此狀態(tài)下，能量轉(zhuǎn)換得最徹底。在日常中，電視機(jī)、收音機(jī)進(jìn)行頻率調(diào)諧采用的就是這一原理，當(dāng)產(chǎn)生諧振時(shí)，接收到的信號是最強(qiáng)的。但在實(shí)際的電路中，由于導(dǎo)線電阻、電抗的內(nèi)阻和電容漏電等因素的影響，這種振蕩也會逐步地衰減。因此，維持電抗與電容的振蕩需要外加電源U。當(dāng)然，只要滿足諧振條件，即：電抗的感抗ZL與試驗(yàn)電容的容抗ZC相等時(shí)，所需的外加電源的電量是非常小的。如上所述，由于電抗器和電容器這兩種儲能元件的能量是可以相互轉(zhuǎn)換的，因此當(dāng)電路中的總電容不足時(shí)，可以采用在一只或多只試驗(yàn)電容器上并聯(lián)一組相應(yīng)的電抗器的方式對電容進(jìn)行補(bǔ)償，如圖2所示[2]，這就是電抗補(bǔ)償?shù)幕驹?。在電抗補(bǔ)償電路中，由于ZL=ZC，則電抗的感量L與試驗(yàn)電容的容量C之間的關(guān)系為：

圖2 增加電抗的試驗(yàn)電路圖

2 電抗補(bǔ)償在試驗(yàn)設(shè)備中的應(yīng)用

a）電抗補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)

在實(shí)際工作中，每次進(jìn)行耐久性試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)樣品電容器的總?cè)萘渴遣煌摹Ｄ敲?，試?yàn)使用的耐久性試驗(yàn)設(shè)備是如何實(shí)現(xiàn)電抗補(bǔ)償技術(shù)的呢？由于不同的試驗(yàn)電容器的容量需要有對應(yīng)的電抗的感量進(jìn)行補(bǔ)償，在補(bǔ)償電容器容量對應(yīng)的電抗感量時(shí)，一般采用一組具有不同感量值的電抗，組合地選擇不同感量值的電抗來補(bǔ)償對應(yīng)的試驗(yàn)電容器的總?cè)萘俊＠纾涸O(shè)計(jì)一臺最大總?cè)萘繛?00 μF的試驗(yàn)電容耐久性試驗(yàn)設(shè)備時(shí)，可以選擇具有如表1所示的一組感量值的電抗來進(jìn)行補(bǔ)償。

表1 電抗器的感量值及其對應(yīng)的補(bǔ)償電容值

這一組電抗的感量值是通過式 （1）計(jì)算出來的，并列出了相應(yīng)的補(bǔ)償電容量，并且這些電抗采用的是如圖2所示的并聯(lián)方式連接。如果試驗(yàn)設(shè)備把所有電抗都使用上去，將補(bǔ)償?shù)碾娙菹嗉?，則總?cè)萘亢嫌?jì)正好等于500 μF。假如試驗(yàn)電容的總?cè)萘繛?00 μF，則試驗(yàn)設(shè)備就可以選擇感量值為464、68、68 mH的3只電抗 （對應(yīng)的補(bǔ)償電容值分別為20、140、140 μF）補(bǔ)償進(jìn)行試驗(yàn)，其補(bǔ)償?shù)碾娙莺嫌?jì)正好的300 μF。又假如試驗(yàn)電容總?cè)萘渴?10 μF，若試驗(yàn)設(shè)備仍然選擇感量值為464、68、68 mH的3只電抗補(bǔ)償進(jìn)行試驗(yàn)，就會產(chǎn)生10 μF的差值。由于可調(diào)電抗制作工藝難，購買大功率的可調(diào)電抗成本很高，因此電容耐久性試驗(yàn)設(shè)備都采用一組固定電抗，通過組合方式，選擇合計(jì)補(bǔ)償容量接近試驗(yàn)電容的總?cè)萘康囊唤M電抗進(jìn)行試驗(yàn)。

b）補(bǔ)償效果系數(shù)

在試驗(yàn)設(shè)備的電抗補(bǔ)償電路中，還存在導(dǎo)線電阻、電抗內(nèi)阻、鐵芯渦流和電容漏電等因素，再加上電抗補(bǔ)償?shù)目側(cè)萘颗c試驗(yàn)電容的總?cè)萘坎坏鹊默F(xiàn)象，這樣電抗補(bǔ)償電路就會有電能損耗，也就無法實(shí)現(xiàn)理想的無阻尼諧振，因此需要外加電源U對其補(bǔ)給。對于設(shè)計(jì)制作的電抗補(bǔ)償電路應(yīng)盡量地減少損耗，以達(dá)到較高的補(bǔ)償效果。

在采用了電抗補(bǔ)償技術(shù)的電容耐久性試驗(yàn)設(shè)備中，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)就是補(bǔ)償效果系數(shù)。補(bǔ)償效果系數(shù)η是試驗(yàn)電流A2與線路電流A1之比，如圖2所示。即：η=A2/A1。如果補(bǔ)償效果系數(shù)是20，那么線路電流只有試驗(yàn)電流的1/20倍，也就是外加電源的功率將減小20倍。

每臺電容耐久性試驗(yàn)設(shè)備都會給出試驗(yàn)電容總?cè)萘糠秶?，然而在這個(gè)范圍內(nèi)，其補(bǔ)償效果系數(shù)是不同的。主要原因是固定電抗組合有個(gè)最小變化量，在表1中其最小變化量是20 μF。在這個(gè)容量范圍內(nèi)，通常取最低值為該設(shè)備的補(bǔ)償效果系數(shù)，試驗(yàn)設(shè)備的補(bǔ)償效果系數(shù)越高，電源功率和電量成本費(fèi)用就會越低。通?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面來提高試驗(yàn)設(shè)備的補(bǔ)償效果系數(shù)：

1）盡量地降低固定電抗組合的最小變化量；

2）選購高品質(zhì)的電抗 （鐵芯、銅線和絕緣等材料優(yōu)質(zhì)，制作工藝和散熱良好）；

3）電抗的實(shí)際功率確保是其額定功率的1.2倍為宜，避免電抗過熱燒毀和產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象；

4）連接的導(dǎo)線一定要盡量地短，線徑應(yīng)足夠大，并且安裝牢緊，以減小阻值；

5）選購高品質(zhì)的交流接觸器，以滿足電抗組合的 “開”或 “關(guān)”要求；

6）在試驗(yàn)過程中，對于失效的試驗(yàn)電容器需盡快剔除。

c）試驗(yàn)設(shè)備的功能參數(shù)

目前，大多數(shù)品牌的電容耐久性試驗(yàn)設(shè)備有自動電抗補(bǔ)償功能，方法是先自動測量試驗(yàn)電容的總?cè)萘?，再由PLC控制，自動選擇對應(yīng)的補(bǔ)償電抗組合，這樣設(shè)備操作簡便可靠。除此功能外，還有試驗(yàn)電壓自動調(diào)節(jié)功能、補(bǔ)償效果系數(shù)自動調(diào)節(jié)功能等。例如：賽寶品牌55XX系列的交流電容器（如圖3所示）耐久性試驗(yàn)設(shè)備就有較多的功能，其主要功能包括[3]：

1）可以滿足耐久性試驗(yàn)和沖擊 （通斷）試驗(yàn)要求；

2）全自動化進(jìn)行試驗(yàn)測試，所有的參數(shù)在觸摸屏上設(shè)置和顯示，參數(shù)斷電記憶；有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能 （通過手機(jī)）；

3）自動檢測試驗(yàn)電容器的總?cè)萘?，自動完成電抗補(bǔ)償；達(dá)到最小輸入電流，補(bǔ)償效果系數(shù)為20；

4）當(dāng)試驗(yàn)電壓出現(xiàn)過壓或欠壓時(shí)，有自動調(diào)整試驗(yàn)電壓功能 （范圍可設(shè)置為1%～10%）；

5）實(shí)時(shí)監(jiān)控線路電流，當(dāng)試驗(yàn)過程中電容器的容量變化過大，補(bǔ)償效果差時(shí)，設(shè)備有重新自動補(bǔ)償電抗后再繼續(xù)試驗(yàn)的功能；

6）多路輸出，實(shí)時(shí)監(jiān)控每個(gè)通道的電壓、電流；

7）具有電壓0 V起調(diào)，過壓、欠壓和過流等安全保護(hù)功能。

圖3 55XX系列交流電容器耐久性試驗(yàn)設(shè)備

3 電抗補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用效果驗(yàn)證

交流電動機(jī)電容器耐久性試驗(yàn) （GB/T 3667.1-2016中5.13條款[4]）和抑制電源電磁干擾用固定電容器交流耐久性試驗(yàn) （GB/T 6346.14-2015中4.14條款[5]）的條件是：將交流電源施加在多只試驗(yàn)電容器上，進(jìn)行長時(shí)間試驗(yàn) （具體的時(shí)間根據(jù)該試驗(yàn)項(xiàng)目的要求確定），一般最短時(shí)間也要200 h；第二種類型的電容器耐久性試驗(yàn)時(shí)間為1 000 h。

假如試驗(yàn)電壓U為700 V （頻率f為50 Hz），電容器的總?cè)萘緾為500 μF，則所需的功率P為：

其中：電容總?cè)菘筞C=1/2πfC

把數(shù)值代入上述公式中，計(jì)算出電源所需的功率P≈77 kW；如果試驗(yàn)時(shí)間t為600 h，則完成這項(xiàng)試驗(yàn)所消耗的電量約為46 000 kW/h。完成一個(gè)耐久性試驗(yàn)帶來如此大的電網(wǎng)負(fù)荷和電量成本費(fèi)用，這顯然是不能接受的。此時(shí)，便可以利用電抗補(bǔ)償技術(shù)來對試驗(yàn)電路中的電容總?cè)萘窟M(jìn)行補(bǔ)償（如圖2所示），以降低電源功率。假設(shè)補(bǔ)償效果系數(shù)為20，則電源功率將降低為3.8 kW，完成試驗(yàn)所消耗的電量將減少為2 300 kW/h。由此可見，電抗補(bǔ)償技術(shù)能夠極大地降低電源功率和電量成本費(fèi)用。

4 結(jié)束語

隨著電容器制造業(yè)的發(fā)展，交流電動機(jī)電容器和抑制電源電磁干擾用固定電容器的規(guī)格要求越來越高，其電容的容量和試驗(yàn)電壓不斷地增大和增高，因此，通常采用電抗補(bǔ)償來完成其耐久性試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，其不僅可以節(jié)能環(huán)保，降低試驗(yàn)成本，還可以延長試驗(yàn)設(shè)備的壽命。