DQZHAN技術(shù)訊：并聯(lián)電容器的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置 你知多少

在10KV以上的電網(wǎng)中，出于注重**的原因，很少使用自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置。另外，由于無(wú)功盡量就地補(bǔ)償?shù)脑瓌t，低壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償裝置(以下簡(jiǎn)稱補(bǔ)償裝置)獲得了廣泛的應(yīng)用，并不斷的有新技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)，是一個(gè)百花齊放的局面。鑒于這樣的局面，本文不可能面面俱到，只能略述梗概。

除了極少數(shù)試驗(yàn)型的STATCOM裝置外，補(bǔ)償裝置絕大部分都是使用并聯(lián)電容器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。因此，本文只討論使用并?lián)電容器的補(bǔ)償裝置。

一，以電容器連接方式為出發(fā)點(diǎn)的補(bǔ)償裝置分類：

1，三相電容器同時(shí)投切型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置中使用三相電力電容器，通過(guò)檢測(cè)某一相的電流來(lái)進(jìn)行計(jì)算并控制電容器的投入數(shù)量來(lái)達(dá)到補(bǔ)償目的。由于電容器對(duì)三相提供的無(wú)功電流相等，因此這類補(bǔ)償裝置只適用于三相電流基本平衡的負(fù)荷情況。當(dāng)負(fù)荷的三相電流不平衡時(shí)，不能夠使三相均得到良好的補(bǔ)償，可能有某一相過(guò)補(bǔ)償，有某一相欠補(bǔ)償。 此類補(bǔ)償裝置由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格低廉而用量*大。

2，單相電容器分相投切型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置中使用單相電力電容器，通過(guò)檢測(cè)三相電流來(lái)進(jìn)行分別計(jì)算并控制各相電容器的投入數(shù)量來(lái)達(dá)到補(bǔ)償目的，相當(dāng)于3臺(tái)單相補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置可以使各相的無(wú)功電流均獲得良好的補(bǔ)償，但是對(duì)不平衡有功電流無(wú)能為力。用于三相電流不平衡的負(fù)荷情況時(shí)，比三相電容器同時(shí)投切型補(bǔ)償裝置的效果好。 此類補(bǔ)償裝置由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格較高，使用量較少。

3，調(diào)整不平衡電流型補(bǔ)償裝置。這類裝置中使用單相電力電容器，通過(guò)檢測(cè)三相電流來(lái)進(jìn)行綜合計(jì)算并控制各相電容器的投入方式和數(shù)量來(lái)達(dá)到補(bǔ)償和調(diào)整不平衡電流的目的。與分相補(bǔ)償裝置本質(zhì)不同的是，這類補(bǔ)償裝置利用了在相間跨接的電容器可以在相間轉(zhuǎn)移有功電流的原理，通過(guò)在各相與相之間及各相與零線之間接入不同數(shù)量電容器的方法，不但可以使各相的無(wú)功電流均獲得良好的補(bǔ)償，還可以將三相間的不平衡有功電流調(diào)整至平衡。這類補(bǔ)償裝置用于三相電流不平衡的負(fù)荷情況時(shí)，具有****的使用效果。

此類補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價(jià)格較高，由于是新技術(shù)所以使用量較少，但是必然會(huì)替代單相電容器分相投切型補(bǔ)償裝置。

二，以電容器的控制投入方式為出發(fā)點(diǎn)的補(bǔ)償裝置分類：

1，交流接觸器控制投入型補(bǔ)償裝置。由于電容器是電壓不能瞬變的器件，因此電容器投入時(shí)會(huì)形成很大的涌流，涌流*大時(shí)可能超過(guò)100倍電容器額定電流。涌流會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利的干擾，也會(huì)降低電容器的使用壽命。為了降低涌流，現(xiàn)在大部分補(bǔ)償裝置使用電容器投切專用接觸器，這種接觸器有1組串聯(lián)限流電阻與主觸頭并聯(lián)的輔助觸頭，在接觸器吸合的過(guò)程中，輔助觸頭首先接通，使電容器通過(guò)限流電阻接入電路進(jìn)行預(yù)充電，然后主觸頭接通將電容器正常接入電路，通過(guò)這種方式可以將涌流限制在電容器額定電流的20倍以下。

此類補(bǔ)償裝置價(jià)格低廉，可靠性較高，應(yīng)用*為普遍。由于交流接觸器的觸頭壽命有限，不適合頻繁投切，因此這類補(bǔ)償裝置不適用頻繁變化的負(fù)荷情況。

2，晶閘管控制投入型補(bǔ)償裝置。這類補(bǔ)償裝置就是SVC分類中的TSC子類。由于晶閘管很容易受涌流的沖擊而損壞，因此晶閘管必須過(guò)零觸發(fā)，就是當(dāng)晶閘管兩端電壓為零的瞬間發(fā)出觸發(fā)信號(hào)。過(guò)零觸發(fā)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)涌流投入電容器，另外由于晶閘管的觸發(fā)次數(shù)沒(méi)有限制，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償(響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí))，因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負(fù)荷情況。晶閘管導(dǎo)通電壓降約為1V左右，損耗很大(以額定容量100Kvar的補(bǔ)償裝置為例，每相額定電流約為145A，則晶閘管額定導(dǎo)通損耗為145×1×3=435W)，必須使用大面積的散熱片并使用通風(fēng)扇。晶閘管對(duì)電壓變化率(dv/dt)非常敏感，遇到操作過(guò)電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導(dǎo)通而被涌流損壞，即使安裝避雷器也無(wú)濟(jì)于事，因?yàn)楸芾灼髦荒芟拗齐妷旱姆逯?，并不能降低電壓變化率?

此類補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，可靠性差，損耗大，除了負(fù)荷頻繁變化的場(chǎng)合，在其余場(chǎng)合幾乎沒(méi)有使用價(jià)值。

3，復(fù)合開(kāi)關(guān)控制投入型補(bǔ)償裝置。復(fù)合開(kāi)關(guān)技術(shù)就是將晶閘管與繼電器接點(diǎn)并聯(lián)使用，由晶閘管實(shí)現(xiàn)電壓過(guò)零投入與電流過(guò)零切除，由繼電器接點(diǎn)來(lái)通過(guò)連續(xù)電流，這樣就避免了晶閘管的導(dǎo)通損耗問(wèn)題，也避免了電容器投入時(shí)的涌流。但是復(fù)合開(kāi)關(guān)技術(shù)既使用晶閘管又使用繼電器，于是結(jié)構(gòu)就變得相當(dāng)復(fù)雜，并且由于晶閘管對(duì)dv/dt的敏感性也比較容易損壞。

4，同步開(kāi)關(guān)投入型補(bǔ)償裝置。同步開(kāi)關(guān)技術(shù)是近年來(lái)*新發(fā)展的技術(shù)，顧名思義，就是使機(jī)械開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)準(zhǔn)確地在需要的時(shí)刻閉合或斷開(kāi)。對(duì)于控制電容器的同步開(kāi)關(guān)，就是要在開(kāi)關(guān)接點(diǎn)兩端電壓為零的時(shí)刻閉合，從而實(shí)現(xiàn)電容器的無(wú)涌流投入，在電流為零的時(shí)刻斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)接點(diǎn)的無(wú)電弧分?jǐn)唷?

同步開(kāi)關(guān)技術(shù)中拒絕使用可控硅，因此仍然不適用于頻繁投切。可以預(yù)見(jiàn)：使用磁保持繼電器的同步開(kāi)關(guān)必將替代復(fù)合開(kāi)關(guān)和交流接觸器。

三，補(bǔ)償裝置中使用的電力電容器

現(xiàn)在補(bǔ)償裝置中使用的低壓電力電容器均為金屬化電容器。金屬化電容器體積小，價(jià)格低廉，具有自愈性，因此獲得廣泛的應(yīng)用。

金屬化電容器的極板是真空蒸發(fā)的鋁膜，其厚度在納米數(shù)量級(jí)，由于鋁膜極薄，當(dāng)介質(zhì)膜由于疵點(diǎn)而發(fā)生局部擊穿時(shí)會(huì)將疵點(diǎn)及附近的鋁膜蒸發(fā)掉，因此不會(huì)發(fā)生短路故障，這就是所謂的自愈作用。

金屬化電容器的電極引出工藝是在芯元件卷制完成以后在元件兩端噴涂金屬導(dǎo)電層，然后在導(dǎo)電層上焊接引出導(dǎo)線。由于極板電流要由元件中部向兩端流動(dòng)，而極板的鋁膜極薄，電阻損耗較大，因此從盡量減少電阻損耗的前提下希望芯元件盡量卷制成短粗形。另一方面，由于極薄的鋁膜極板并沒(méi)有多少機(jī)械強(qiáng)度，因此芯元件端部導(dǎo)電層與極板之間并不能形成牢固的連接，當(dāng)芯元件由于發(fā)熱而出現(xiàn)不均勻變形時(shí)，端部導(dǎo)電層與極板之間很容易形成局部脫離而出現(xiàn)故障，從這一點(diǎn)出發(fā)，又希望芯元件盡量卷制成細(xì)長(zhǎng)形。

金屬化電力電容器有矩形和圓柱形兩種結(jié)構(gòu)。矩形結(jié)構(gòu)的電容器內(nèi)部的芯元件細(xì)長(zhǎng)并排排列，適用于普通應(yīng)用場(chǎng)合。圓柱形結(jié)構(gòu)的電容器內(nèi)部的芯元件短粗串列排列，適用于諧波較嚴(yán)重的場(chǎng)合。

金屬化電容器在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題主要是電容量減小，所有的金屬化電容器隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)電容量都會(huì)由于自愈過(guò)程而減小，只不過(guò)程度有所不同。有些質(zhì)量較差的電容器還會(huì)出現(xiàn)端部導(dǎo)電層與極板脫離的故障，其現(xiàn)象表現(xiàn)為電容量降低為額定值的一半，甚至三分之，甚至為零。同一品牌的電容器，單臺(tái)容量越大，則其芯元件越長(zhǎng)，直徑越粗，元件長(zhǎng)導(dǎo)致電阻損耗增大，元件粗則端面導(dǎo)電層面積大且元件內(nèi)外溫差加大使導(dǎo)電層越容易與極板發(fā)生脫離，因此使用單臺(tái)大容量電容器不如使用小電容器并聯(lián)的可靠性高。金屬化電容器的短路與爆炸故障較少。

四，補(bǔ)償裝置中使用的控制器

*早的無(wú)功補(bǔ)償控制器是以功率因數(shù)為依據(jù)進(jìn)行控制的，這種控制器因?yàn)閮r(jià)格低廉現(xiàn)在仍然在使用。以功率因數(shù)為依據(jù)進(jìn)行控制的*大問(wèn)題就是輕載振蕩。例如：一臺(tái)補(bǔ)償裝置里*小的電容器容量是10Kvar，負(fù)荷的感性無(wú)功量為5Kvar且功率因數(shù)為滯后0.5。這時(shí)，投入一臺(tái)電容器則功率因數(shù)變?yōu)槌?.5，切除電容器則功率因數(shù)變?yōu)闇?.5，于是震蕩過(guò)程就會(huì)沒(méi)完沒(méi)了地進(jìn)行下去。

較新型的無(wú)功補(bǔ)償控制器都是以無(wú)功功率為依據(jù)進(jìn)行控制的，這就要求必須具備設(shè)定功能，可以對(duì)補(bǔ)償裝置中的電容器容量進(jìn)行設(shè)定，從而可以根據(jù)負(fù)荷無(wú)功量決定怎樣投入電容器，因此可以消除輕載振蕩現(xiàn)象。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)功補(bǔ)償控制器的附加功能也越來(lái)越多，如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通訊，諧波檢測(cè)，電量檢測(cè)等等。使用的控制元件也從*初的小規(guī)模集成電路到8位單片機(jī)，再到16位單片機(jī)，再到16位DSP，直至***的32位單片機(jī)?，F(xiàn)在的32位單片機(jī)的價(jià)格已經(jīng)降到30多元一片，對(duì)控制器的硬件成本已經(jīng)沒(méi)有多少影響，其性能超過(guò)8位單片機(jī)100倍以上，難以普及的原因主要是技術(shù)開(kāi)發(fā)難度太大。

五，補(bǔ)償裝置與其他設(shè)備的組合

隨著無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)用的不斷普及，補(bǔ)償裝置與其他設(shè)備的組合是一個(gè)必然趨勢(shì)。例如補(bǔ)償裝置與計(jì)量箱的組合，補(bǔ)償裝置與開(kāi)關(guān)箱的組合等等。組合裝置可以降低成本，減少占用空間，減少連接線，減少維護(hù)工作量。組合裝置的設(shè)計(jì)制造沒(méi)有技術(shù)難度，只是因?yàn)闆](méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以生產(chǎn)廠商只能根據(jù)訂貨來(lái)組織生產(chǎn)。