GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》與T/CPSS 1001—2019《低壓混合式動態(tài)無功補償裝置》標(biāo)準(zhǔn)差異分析與研究

劉 朋

0 引 言

伴隨科技發(fā)展,無功補償裝置經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜的“演變”過程,其主要方式有并聯(lián)電容法和電力電子補償法。并聯(lián)電容器是我國應(yīng)用較多的一種無功補償方法,按照電容投切方式可分為晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC) 、機械式投切電容器(Mechanically Switched Capacitor,MSC),但是單純并聯(lián)電容器方式的裝置不能吸收無功功率,投入和切除較慢,且補償?shù)臒o功均為固定容量,無法動態(tài)補償,容易造成過補或欠補的情況。靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)是如今較為先進的補償技術(shù),具有響應(yīng)速度快、運行范圍寬、產(chǎn)生諧波少等優(yōu)點,但由于電力電子器件的開關(guān)頻率和經(jīng)濟條件的約束,其補償容量往往不能直接滿足需求。

低壓混合式動態(tài)無功補償裝置由SVG和晶閘管投切電容器構(gòu)成,根據(jù)硬件和控制策略的調(diào)整,可實現(xiàn)TSC三相共補和三相分補,配合SVG同時使用,從而可實現(xiàn)三相不平衡無功的動態(tài)補償。該類無功補償裝置采用了TSC與SVG混合補償?shù)姆绞?克服了TSC有級補償以及SVG補償容量不足的缺點,從而實現(xiàn)了大范圍的精確動態(tài)補償,并兼顧TSC和SVG各自優(yōu)點,在現(xiàn)有無功補償需求下具有較大的優(yōu)越性,是低壓無功補償裝置的發(fā)展方向。

本文主要探討TSC的低壓無功補償裝置和低壓混合式動態(tài)無功補償裝置的檢測標(biāo)準(zhǔn)的差異,以及對比分析情況。

1 標(biāo)準(zhǔn)差異研究分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍的差異

GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補償裝置》適用于額定交流電壓不超過1 000 V(或1 140 V),頻率不超過1 000 Hz的低壓成套無功功率補償裝置[1]。T/CPSS 1001—2019《低壓混合式動態(tài)無功補償裝置》適用于50 Hz,額定工作電壓1 000 V(或 1 140 V)低壓配電系統(tǒng),含有投切開關(guān)、電容器、串聯(lián)電抗器(可選)和電壓型變流器的并聯(lián)型無功補償裝置[2]。兩份標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定裝置適用頻率不同,且T/CPSS 1001—2019規(guī)定了裝置主要元件,明確了裝置必須裝配電壓型變流器。

1.2 術(shù)語和定義的差異

兩個標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)各自規(guī)定類別的裝置進行了相關(guān)術(shù)語定義。GB/T 15576—2020主要定義低壓成套無功功率補償裝置和集成低壓無功功率補償裝置的構(gòu)成,以及根據(jù)低壓成套無功功率補償裝置安裝位置定義集中補償裝置、分組補償裝置、末端補償裝置和相間補償裝置。另外,還定義了涌流和動態(tài)響應(yīng)時間等8個技術(shù)參數(shù)。

T/CPSS 1001—2019主要定義低壓混合式動態(tài)無功補償裝置,明確給出構(gòu)成該裝置的主要部件——無源組件和有源組件的定義。同時,給出無功功率補償控制等5個技術(shù)參數(shù)的定義,其中動態(tài)響應(yīng)時間的定義與GB/T 15576—2020中有較大差異。GB/T 15576—2020對動態(tài)響應(yīng)時間的說明是從系統(tǒng)無功變化達到設(shè)定值時刻起到裝置輸出無功時的時間間隔;T/CPSS 1001—2019中定義從補償對象開始突變到裝置輸出無功達到目標(biāo)值的90%所需時間。動態(tài)響應(yīng)時間示意圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)響應(yīng)時間示意圖

T/CPSS 1001—2019定義的動態(tài)響應(yīng)時間為電力行業(yè)內(nèi)所普遍接受,在有源型電能質(zhì)量治理裝置標(biāo)準(zhǔn)中對動態(tài)響應(yīng)時間的定義方式基本與本標(biāo)準(zhǔn)相同[3]。

1.3 裝置分類方式的差異

GB/T 15576—2020中分別根據(jù)使用場所、安裝位置、補償相數(shù)、投切電容器的元件類型和有無抑制諧波或濾波功能5種方式劃分為不同類別的裝置。

T/CPSS 1001—2019根據(jù)電氣接線方式分為三相三線和三相四線型,根據(jù)三相無功補償方式把裝置分為共補型、分補型和共分補型。

1.4 裝置使用條件的差異

GB/T 15576—2020中分別從正常使用條件的空氣溫度(含戶內(nèi)和戶外裝置)、濕度條件(含戶內(nèi)和戶外裝置)、污染等級、海拔和安裝地點條件,以及特殊使用條件說明裝置可以安裝使用的場景。T/CPSS 1001—2019中分別從周圍空氣溫度(含戶內(nèi)和戶外裝置)、相對濕度、污染等級、海拔、抗震水平和電氣條件,以及特殊使用條件說明裝置可以安裝使用的場景。

其中,兩個標(biāo)準(zhǔn)在空氣溫度和濕度條件,以及污染等級的使用條件基本相同。海拔高度使用條件上,GB/T 15576—2020規(guī)定的無功補償裝置安裝地點的海拔高度不超過2 000 m,T/CPSS 1001—2019要求安裝地點海拔高度規(guī)定不應(yīng)超過1 000 m,如果安裝地點海拔高度超過1 000 m,應(yīng)對相關(guān)的溫升限值和絕緣等進行修正。T/CPSS 1001—2019中增加了抗震水平,規(guī)定安裝地點無劇烈振動及顛簸,安裝傾斜度不大于5°。在電氣條件的規(guī)定中,T/CPSS 1001—2019明確混合式動態(tài)無功補償裝置的適用電網(wǎng)條件:電壓變化范圍為85%UN～115%UN,相比GB/T 15576—2020規(guī)定的無功補償裝置適用電壓波動不超過±10%額定工作電壓的范圍要更大。這反映出混合式動態(tài)無功補償裝置由于電力電子模塊的存在,使得整個裝置的電氣適用性增強。

1.5 裝置基本防護差異

GB/T 15576—2020中第7.4.2條基本防護旨在防止直接與危險帶電部分接觸。能夠利用裝置本身適宜的結(jié)構(gòu)措施,或在安裝過程中采取的附加措施來獲得基本防護。并指出兩種基本防護方式:一種是第7.4.2.2條由絕緣材料提供基本絕緣,危險帶電部分應(yīng)用絕緣完全覆蓋。另一種是第7.4.2.3條采用擋板或外殼方式,用空氣絕緣的帶電部分應(yīng)安置在至少提供IPXXB防護等級的外殼內(nèi)或擋板的后面;導(dǎo)電的擋板或外殼與帶電部分的距離應(yīng)不小于第7.3條規(guī)定的電氣間隙與爬電距離。同時,第7.2.2條中要求防止觸及帶電部分以及外來固體和水進入的防護等級,戶內(nèi)使用裝置防護等級不低于IP20,戶外使用裝置防護等級不低于IP44。

T/CPSS 1001—2019中第6.5條指出戶內(nèi)使用裝置防護等級不低于IP20,操作面板防護等級不低于IP40;戶外使用裝置防護等級不低于IP44。

1.6 裝置的控制和保護功能的差異

GB/T 15576—2020中主要針對的是由電容器和控制投切裝置來實現(xiàn)無功功率的補償裝置,第8.6.1條一般要求說明對自動控制投切的設(shè)備應(yīng)設(shè)有工頻過電壓保護,對非自動控制投切的設(shè)備,宜裝有過電流保護。同時,詳細規(guī)定了工頻過電壓保護、涌流保護和缺相保護的內(nèi)容。

T/CPSS 1001—2019第5.3條控制功能規(guī)定了無功功率補償控制、功率因數(shù)補償控制、電壓控制(可選)、諧波濾除(可選)、三相不平衡補償(可選)共5個控制功能。結(jié)合有源模塊功能,該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了7項保護功能,即交流輸入欠壓保護(可選)、交流輸入過壓保護、輸出過電流保護、諧波超限保護、缺相保護、自恢復(fù)(可選)和溫度保護。

T/CPSS 1001—2019第5.3條和GB/T 15576—2020第8.6.1條內(nèi)容對比如表1所示。

表1 T/CPSS 1001—2019第5.3條和GB/T 15576—2020第8.6.1條內(nèi)容對比

1.7 裝置性能試驗的差異

裝置在性能試驗方面主要是動態(tài)響應(yīng)時間試驗、諧波濾除率試驗、三相不平衡補償試驗、損耗試驗和過載能力試驗等。

1.7.1 動態(tài)響應(yīng)時間試驗

動態(tài)響應(yīng)時間試驗作為關(guān)鍵的測試項目,兩項標(biāo)準(zhǔn)對該項目的定義,根據(jù)裝置本身的特點有明顯的差異。GB/T 15576—2020中主要針對具有投切電容器的元件控制投切的裝置,投切元件如機電開關(guān)、半導(dǎo)體電子開關(guān)(如晶閘管)和復(fù)合開關(guān)。針對這類型裝置,采用半導(dǎo)體電子開關(guān)或復(fù)合開關(guān)投切的裝置,其動態(tài)響應(yīng)時間不大于1 s。具體的測試方法:裝置在額定電壓的自動工作狀態(tài),主電路中投入大于設(shè)定值的感性負荷,檢測感性負荷電壓的變化,記錄該時刻為T1,同時檢測電容器投入的電流變化,記錄補償電容器輸出電流發(fā)生變化的時刻T2,裝置的動態(tài)響應(yīng)時間T為T2-T1,試驗3次取最長時間T值。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.3條動態(tài)響應(yīng)時間試驗,分別針對有源組件和整個裝置做了兩方面的規(guī)定說明。第7.9.3.1條有源組件動態(tài)響應(yīng)時間試驗,首先斷開裝置內(nèi)無源組件,設(shè)置裝置為無功功率補償模式,調(diào)節(jié)無功負載,使其從0到有源組件額定容量的90%,然后從補償對象開始突變到裝置輸出達到目標(biāo)值的90%,用測試儀器分別記錄測量點1和測量點3的電壓和電流波形數(shù)據(jù),并且據(jù)此分析該工況下裝置的響應(yīng)時間。第7.9.3.2條動態(tài)響應(yīng)時間于試驗同第7.9.3.1條的規(guī)定,僅要求裝置為正常的無功功率補償模式。性能試驗平臺示意圖如圖2所示。

圖2 性能試驗平臺示意圖

兩個標(biāo)準(zhǔn)對于該類裝置關(guān)鍵參數(shù)動態(tài)響應(yīng)時間的試驗規(guī)定有明顯的不同,GB/T 15576—2020規(guī)定了整個裝置的動態(tài)響應(yīng)時間試驗,且試驗方法中明確說明裝置補償?shù)氖且敫行载摵勺兓那闆r。這是因為該類裝置僅能補償感性無功變化的情況,同時也是該類裝置的局限性所在。T/CPSS 1001—2019則對混合無功補償裝置的動態(tài)響應(yīng)時間做出了兩方面說明,即單獨有源組件和完整裝置兩種情況的試驗方法進行規(guī)定;并且根據(jù)混合無功補償裝置對于感性無功或是容性無功均可補償?shù)奶攸c,試驗方法中并未規(guī)定裝置需要在感性無功負荷變化或是容性無功負荷變化的情況。

1.7.2 諧波抑制或諧波濾除率試驗

隨著電氣系統(tǒng)中電力電子化的加速,諧波出現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用場景中,這樣諧波抑制或諧波濾除就顯得尤為重要。GB/T 15576—2020中說明具備抑制諧波或濾波功能的裝置,根據(jù)用電場所的諧波參數(shù),按照GB/T 14549—1993中公用電網(wǎng)諧波電壓限值及諧波電流允許值,滿足用戶的需求。對于具備抑制諧波功能的裝置,投入后系統(tǒng)諧波電流含量不應(yīng)增加;具備濾波功能的裝置,投入后系統(tǒng)的電流諧波含量至少應(yīng)減少到裝置投入前系統(tǒng)電流諧波含量的50%。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.5條中說明該項目為可選擇測試項目,僅針對具備諧波濾除功能的補償裝置。具備諧波濾除功能的補償裝置的濾除能力應(yīng)達到中國電源學(xué)會團體標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1002—2018《低壓有源電力濾波裝置》第5.4條性能要求的限值,即當(dāng)負載電流畸變率≥20%時,總諧波補償率≥85%;當(dāng)負載電流畸變率<20%時,補償之后電力畸變率應(yīng)不大于5%。

1.7.3 三相不平衡補償試驗

T/CPSS 1001—2019中第7.9.6條中說明該項目為可選擇測試項目,僅針對具備三相不平衡補償功能的裝置。試驗時,在裝置補償范圍內(nèi)調(diào)節(jié)不平衡負載,測量三相電流數(shù)據(jù),驗證三相電流不平衡補償率應(yīng)滿足中國電源學(xué)會團體標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1001—2018《低壓配電網(wǎng)有源不平衡補償裝置》第5.4條性能要求的不小于90%。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15576—2020中未提及該測試項目。

1.7.4 損耗測試

T/CPSS 1001—2019中第7.9.7條規(guī)定,補償裝置設(shè)定為無功補償模式。試驗時,設(shè)定有功負載為固定值,調(diào)節(jié)無功負載使得補償裝置輸出額定容性無功,以此測量圖2中的測量點3無功功率數(shù)據(jù);同時根據(jù)測量點1和測量點2的有功功率數(shù)據(jù)差值,計算補償裝置的有功損耗平均值;測得的補償裝置有功損耗值與額定補償容量的比值不應(yīng)超過3%。GB/T 15576—2020中未提及該測試項目。

1.8 電磁兼容性測試

GB/T 15576—2020第9.12條和標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1001—2019第7.17條都對裝置的電磁兼容性能做了要求。GB/T 15576—2020引用了國標(biāo)GB 7251.1—2013/IEC 61439-1:2011《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分:總則》J.10.12的全部條目規(guī)定[4]。T/CPSS 1001—2019共計列出了5項電磁兼容性要求,主要為引用GB/T 17626系列和GB 17799.4的要求[5]。

1.9 環(huán)境溫度性能試驗

GB/T 15576—2020第9.20條和T/CPSS 1001—2019第7.18條都對裝置的環(huán)境溫度性能做了要求,且規(guī)定僅適用于戶外型裝置。GB/T 15576—2020要求裝置在高溫40 ℃±3 ℃和低溫-25 ℃±3 ℃環(huán)境下,均能正常工作。T/CPSS 1001—2019要求裝置在高溫(50±3)℃和低溫(-25±3) ℃環(huán)境下能夠正常運行,同時,第7.18.2條要求裝置具有耐濕熱性,當(dāng)裝置不通電的情況下,存放于溫度(40±2) ℃、濕度為(93±3)%RH環(huán)境2 d,恢復(fù)至常態(tài)下,仍能正常運行。

2 結(jié) 語

GB/T 15576—2020主要針對的是由控制投切元件和電容器實現(xiàn)無功功率的補償裝置,T/CPSS 1001—2019主要針對SVG器和晶閘管投切電容器構(gòu)成的裝置,能夠通過有源部件和無源部件的協(xié)同配合實現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補償裝置?；趦煽钛b置的差異,在適用場景、功能和性能技術(shù)要求等方面而有相應(yīng)的差別,繼而延伸到各技術(shù)參數(shù)的測試方法有所差別。歸根結(jié)底,T/CPSS 1001—2019規(guī)定的技術(shù)內(nèi)容相較于GB/T 15576—2020的內(nèi)容,多出了電力電子裝置的智能保護、快速響應(yīng)、靈活控制和高效補償性能等。因此,TSC的低壓無功補償裝置可主要依據(jù)GB/T 15576—2020進行檢測。針對低壓混合式動態(tài)無功補償裝置可以參考標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1001—2019進行檢測。

此外,GB/T 15576—2020作為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn),對于成套無功功率補償裝置針對基礎(chǔ)安全性,提出多個具體的技術(shù)要求。如對保護導(dǎo)體、電器元件和附件、內(nèi)部電路、絕緣導(dǎo)線,以及外接導(dǎo)線端子等都一一做了詳盡的要求。而T/CPSS 1001—2019作為電能質(zhì)量領(lǐng)域的團體標(biāo)準(zhǔn),主要針對將成為發(fā)展趨勢的電力電子化的無功補償裝置的性能參數(shù)、功能特點等給出了較多的技術(shù)要求,如無功功率補償、功率因數(shù)補償和電壓控制。穩(wěn)態(tài)控制精度、動態(tài)響應(yīng)時間、三相不平衡補償,以及主動式保護功能等。