低壓電路中無功功率補償柜的選型與應(yīng)用

孫平輝

（鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 江蘇省鎮(zhèn)江市 212000）

低壓無功功率補償系統(tǒng)裝置，對電壓有著較強的靈敏性，如果操作不合理，會引發(fā)諸多問題，不僅會損壞電氣元件，而且嚴(yán)重時會破壞整個配電系統(tǒng)，甚至是引發(fā)一些安全事故，表明應(yīng)重視該裝置應(yīng)用的重要性和必要性[1]。通常情況下，低壓無功補償設(shè)置，在穩(wěn)定和提升供電電壓質(zhì)量上發(fā)揮重要作用，再加上配電網(wǎng)面積和規(guī)模較大，面臨的負荷情況繁瑣復(fù)雜，為避免出現(xiàn)線路損失、能耗加大等情況，應(yīng)重視無功功率補償裝置的選型與應(yīng)用，這有著重要的現(xiàn)實意義。

1 無功功率補償?shù)姆N類

1.1 靜態(tài)補償

靜態(tài)無功補充（SVC），主要是指電容器和電抗器兩部分組成，其中，電抗器為晶閘管所調(diào)控，晶閘管有著較強的靈敏性，對信號反應(yīng)十分靈敏，且通斷次數(shù)不被傳統(tǒng)機械壽命所制約[2-3]。如果電壓不斷變化，靜態(tài)補償器在符合動態(tài)無功功率補償?shù)幕A(chǔ)上，還能滿足分相補償，尤其是對三相不平衡負荷適應(yīng)能力較強，或是在沖擊負荷下能夠補償諧波及無功功率。

1.2 動態(tài)補償

動態(tài)補償主要是指對補償效果的評定，通常補償是有分級的，如較為常見的電容設(shè)備，作為一種補償裝置，就是按組加以投切。動態(tài)補償在特定條件下，能夠?qū)⒐β室驍?shù)升至0.95，從專業(yè)的角度來講，動態(tài)無功功率補償裝置運行過程中，出現(xiàn)的無功功率呈現(xiàn)出線性規(guī)律[4]。

2 無功功率補償方式的選擇

2.1 自動補償

無功功率自動補償控制器十分常見，屬于一種專用控制器，該裝置可以與多種靜電容屏配套裝置共同使用，此時多種靜電容屏設(shè)施型號需要設(shè)定在400V以下。一般來說，自動補償裝置具有RS485通訊接口，在該接口的連接作用下，將電流、電壓、有功及無功功率等及時傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備上。

2.2 分相補償

分相補償?shù)脑O(shè)置，主要是在補償裝置中增加相應(yīng)數(shù)目的單相電力電容器，在對三相電壓電流檢測的基礎(chǔ)上，測算電容器的投切數(shù)量，以此實現(xiàn)補償效果。為了實現(xiàn)多種補償功效，可調(diào)控各相的無功電流。分相補償裝置被廣泛用于辦公樓、居民住宅區(qū)等，該裝置以單相負荷為前提，對不平衡的無功電流進行補償，但不適用于不平衡有功電流的情況。

2.3 混合補償

混合補償裝置在單相及三相補償機制上形成，在混合補償情況下，絕大多數(shù)補償為共補，其他剩余部分為分補，運行期間遵循低壓側(cè)和高壓側(cè)不同補償方式，對無功功率參數(shù)加以調(diào)節(jié)，使信號形成源自于三相中的每一相，結(jié)合負載情況及功率因數(shù)，相互加以平衡或補齊，最后實施三相補償操作。

3 低壓電路中無功功率補償柜選型設(shè)計

3.1 無功功率補償柜設(shè)計的改進

在對電容器的選擇上，應(yīng)以城市100/n浪涌電流和電壓高1個等級的電容為基本前提，如果將400V的電容以440V的電容取代，那么FRAKO電容相應(yīng)的就需要承受210～310/n的浪涌電流。一旦電壓等級較高，需要提升浪涌電流能力，該做法能夠應(yīng)對諧波情況，延長裝置使用周期。在滿足使用功能的基礎(chǔ)上，為達到節(jié)能目的，可選取環(huán)保型的干式電容，控制能耗在0.2～W/Kvar，同時使用多種技術(shù)手段，如分段薄膜技術(shù)等，對于電容器有預(yù)充電電阻作用，為避免出現(xiàn)電容損害情況，可維持內(nèi)置保險的情況下，將裝置升級和改造成自愈式，特別要注意的是，不能選用油浸式電容，否則難以抵御火災(zāi)風(fēng)險。

在對電容器的保護上，首先，應(yīng)檢查供電側(cè)的用電質(zhì)量，確保用電質(zhì)量在可控范圍內(nèi)，如果超出V-THD＜3%和I-THD＜10%標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)及時采取補償措施，可采用具有解諧功能的補償柜，或者是采用8%～10%的電抗器，該做法不僅能夠避免系統(tǒng)電容出現(xiàn)共振現(xiàn)象，而且還在增加電容使用周期。其次，不能繼續(xù)使用空氣開關(guān)，而是要選用熔斷器隔離開關(guān)來代替，為確保電容投切，還可以選用功能型的復(fù)合開關(guān)（可控硅與交流接觸器相連接），防止出現(xiàn)接觸器拉弧問題。再次，在對無功功率補償裝置的設(shè)計上，要留出35%～45%的余量，在可控范圍內(nèi)適當(dāng)放大內(nèi)部電纜，內(nèi)部電纜應(yīng)以A級阻燃電纜為基礎(chǔ)，并具有高度的阻燃性質(zhì)。最后，在構(gòu)思和設(shè)計控制線路時，選用的控制器設(shè)備，需要以單片機為條件，根據(jù)負荷側(cè)有功及無功情況，采集與收集數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計算后，發(fā)出相應(yīng)工作指令，對備用電容器自動識別。

3.2 無功功率補償柜柜體的選型設(shè)計

在對無功功率補償柜柜體的選型設(shè)計上，應(yīng)嚴(yán)格遵循無功功率補償原則，即為全面規(guī)劃、合理布局和分級補償，既要促進配電網(wǎng)安全運行，又要符合分線、分站變電站，還要滿足總無功需求。采用多種補償方式時，應(yīng)以降損和調(diào)壓相結(jié)合，以降損為主、兼顧調(diào)壓，確定低壓集中補償、電動機定補，合理設(shè)計無功功率補償裝置。對于電容器和電抗器的設(shè)置，兩者要隔離開來，除了確保每個柜體之間留有一定距離，也要熔斷器隔離電纜、母排等器件。與此同時，要合理使用強制通風(fēng)系統(tǒng)，結(jié)合電容器經(jīng)驗法則，控制運行溫度范圍為40～45℃。

很多無功功率補償裝置需要較高通風(fēng)條件，前后端需設(shè)置進風(fēng)口，同時，要增加抽風(fēng)扇形成風(fēng)道，為避免風(fēng)扇意外跌落，要加以穩(wěn)固后，添加配套的恒溫調(diào)節(jié)器、報警裝置等，第一時間內(nèi)檢測出跳閘、風(fēng)口堵塞等問題。當(dāng)然，柜子選型設(shè)計時要遵循安全原則，規(guī)范操作電容器的裝配，加用安全防護板，距離柜子頂部180～200mm，便于通風(fēng)和散熱。

3.3 設(shè)計要求

依據(jù)市面上流行的低壓無功功率補償裝置來看，從功能特點和實際需求出發(fā)，在設(shè)計理念上，需要以下幾點要求：

（1）控制器輸出電流應(yīng)明確編碼內(nèi)容；

（2）空氣取樣物理量計算上，基波功率因數(shù)是基本的投切根據(jù)；

（3）為達到無功功率補償?shù)母呔珳?zhǔn)計算，需采用FFT(快速傅里葉變換)計算公式；

（4）形成混合補償機制，以三相共補、單相分補為基本準(zhǔn)則，控制靜態(tài)和動態(tài)補償；

（5）明確無功功率補償裝置需具備多種功能，如過電壓、欠流、斷相、溫度保護等；

（6）具備基本的測量功能，采取Modbus通信協(xié)議；

（7）規(guī)范安裝流程，進行導(dǎo)軌式安裝，或是嵌入式安裝；

（8）電磁兼容性上，應(yīng)滿足JB/T9663、GB/T17626.4-2008等標(biāo)準(zhǔn)，另整機應(yīng)能滿足GB/T15576-2020標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 硬件設(shè)計

結(jié)合低壓無功功率補償裝置，經(jīng)多次實踐論證后，以ARM為核心，該設(shè)備功能（ARC）框架。

3.4.1 電壓和頻率采樣電路

該裝置電壓和頻率采樣詳見圖2，其中電壓信號于電阻作用下，UAO途徑CPU，RC出現(xiàn)濾波，進入到遲滯比較器，出現(xiàn)基波方波FRE（同頻率），從而完成采樣操作。關(guān)于頻率采樣，需要硬件和軟件測頻，軟件測頻精度低、計算量小，硬件測頻既能減少CPU運算，又能降低泄露誤差，控制基波誤差在0.02%以下，提升精準(zhǔn)性和滿足電壓采樣。

3.4.2 通信電路

ARC借助于RS485通信接口，使用硬件系統(tǒng)調(diào)控電路，發(fā)揮通信功能。為降低單片機負荷力，需要將相關(guān)單參數(shù)及時傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺上，不僅實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的實時觀察，而且又便于485通信電路作為母機擴展使用，并有效保護PCB部件。

4 低壓電路中無功功率補償柜的應(yīng)用

4.1 工作原理

4.1.1 監(jiān)測終端工作原理

低壓電路中無功功率補償柜主要是由測量、顯示、控制、接口和電源等組成。

測量部分包括精密小型互感器、前置信號處理電路等部分，能夠及時獲取相位、電流及電壓等數(shù)據(jù)，顯示屏為液晶模塊；控制部分以多個單片微機為基礎(chǔ)，含有多路A/D、時鐘、外圍芯片等；接口處多為RS-485（半雙工）接口，可根據(jù)運行狀態(tài)調(diào)整測量數(shù)據(jù)，對參數(shù)進行編程，設(shè)置時間標(biāo)簽；電源部分為體現(xiàn)節(jié)能原則，使用高頻開關(guān)滿足多種作業(yè)環(huán)境。

軟件功能提供參數(shù)計算、測量數(shù)據(jù)計算等，因功能多樣化、軟件量復(fù)雜化，需要引進先進的編程技術(shù)，實現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)格式化、作業(yè)功能模塊化，具有程序操作簡易、處理時效快、流程簡單明晰等優(yōu)勢。

4.1.2 電容投切方式

電容投切嚴(yán)格遵循“循環(huán)+靈活編碼”原則，結(jié)合現(xiàn)行無功實際需求量，實現(xiàn)一次性精準(zhǔn)投切。同時，需要確保補償容量滿足實際需求容量并與之有機融合，使兩者處在動態(tài)持平點，補償精度可高達0.95以上，從本質(zhì)上防止了欠補現(xiàn)象。

4.2 功能特點

4.2.1 使用功能

低壓無功功率補償柜具有在使用功能上，具有保護、時鐘、電壓統(tǒng)計、監(jiān)測功能、通訊、自動穩(wěn)零、故障自診斷等。具體內(nèi)容如下：

（1）保護：保護功能具體體現(xiàn)在掉電保護、過壓保護、過流保護等。

（2）時鐘：時鐘功能作為時間坐標(biāo)使用，用來統(tǒng)計運行量及異常事件。

（3）電壓統(tǒng)計：電壓直接影響到裝置運行，需要從電壓合格率、運行時間、電壓范圍等處著手。

（4）監(jiān)測功能：裝置除了測量10～15次諧波并實時顯示出數(shù)據(jù)外，還具有記錄分析儀、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)顯表等功能，在實際測量時需用到電流（I）、電能（WH、QH）、頻率（F）、功率因數(shù)（COS￠）、諧波（%）等參數(shù)。

（5）通訊：裝置與RS485（RS232）通訊口連接，經(jīng)遠程系統(tǒng)操作，呈現(xiàn)出外方式布局，依托于MODBUS通訊設(shè)備，創(chuàng)建適宜的電量管理方案。

（6）自動穩(wěn)零：在裝置時間和溫度變化下，具備自動校準(zhǔn)零點功能，經(jīng)輸入CJK2W，可選取測量系統(tǒng)，或是加以更改和設(shè)定PT、通訊等。

（7）故障自診斷：在設(shè)置抗電磁干擾基礎(chǔ)上，將運行數(shù)據(jù)顯示在液晶屏幕上，還可以在串行口輸出，對可能出現(xiàn)的故障達到自動診斷的目的。

4.2.2 基本功能

低壓無功功率補償柜基本功能有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊、參數(shù)設(shè)置、無功補償功能。具體內(nèi)容如下：

（1）數(shù)據(jù)采集：經(jīng)調(diào)節(jié)三相功率因數(shù)、三相電流、三相電壓，明確有功及無功功率后，諧波測量次數(shù)不宜超出15次。

（2）數(shù)據(jù)通訊：經(jīng)增加通訊設(shè)備后，便于實時監(jiān)控設(shè)備運行狀態(tài)，為滿足多種作業(yè)需求，隨時調(diào)整相應(yīng)的電壓、電流、頻率等參數(shù)。

（3）參數(shù)設(shè)置：因電流/電壓互感器隨環(huán)境運行參數(shù)發(fā)生變化，需要合理控制電壓范圍，避免出現(xiàn)電壓諧波異?，F(xiàn)象，同時，還要相應(yīng)調(diào)整電容元件，為防止電容投切超時或延時，應(yīng)在報警裝置中增設(shè)延時啟動鈴聲裝置。

（4）無功補償：經(jīng)對物理量加以取樣后，根據(jù)無功需量規(guī)范投切電容操作，實現(xiàn)無投切振蕩、無補償呆區(qū)。

4.2.3 功能選擇

城市配電網(wǎng)為促進正常運行，需要高度堅持無功功率補償為主原則，為實現(xiàn)監(jiān)測功能的多樣性，用戶在具體使用上，可引入配電+補償+計量原則；對于農(nóng)網(wǎng)的設(shè)置，為滿足農(nóng)戶需求，需要結(jié)合場合，明確選用適宜的無功功率補償裝置。無功功率補償配置實際應(yīng)用過程中，需要遵循平衡原則、電力部門補償與用戶補償相結(jié)合，同時，對于特殊線路的使用，要采取重點降損的措施。此外，低壓無功功率補償還應(yīng)注意產(chǎn)品選型、功能選取、補償容量、采樣方式、無功倒送、三相不平衡、電容器保護、裝置結(jié)構(gòu)形式及通訊問題等，需根據(jù)實際用電負荷，優(yōu)化無功功率補償裝置。

4.3 應(yīng)用案例分析

某公司經(jīng)采購低壓無功功率補償柜，投入使用后，據(jù)數(shù)據(jù)記錄情況表明，該裝置具有一定優(yōu)勢和價值，還實現(xiàn)了節(jié)能效果，與原有裝置相比，配網(wǎng)容量可節(jié)約35%以上。同時，變壓器能力得到提升，系統(tǒng)功率因數(shù)能有效補償至0.95左右。結(jié)合長期運行狀況來看，該裝置安全性和穩(wěn)定性更強，且節(jié)能效果尤為顯著，值得進一步加強應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文重在分析低壓電路下無功功率補償柜的選型及應(yīng)用，經(jīng)采取提高功率因數(shù)、控制電壓、電流、頻率等參數(shù)等有效做法，促進該裝置的安全運行，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。經(jīng)升級后的無功功率補償裝置，具有溫度保護、實時監(jiān)測、報警等功能，適用于電力、煤礦、制造等大能耗行業(yè)領(lǐng)域。