應用于無(wú)功補償的智能電力電容器

 摘要：在電力系統和電工設備中，低壓電力電容器一般以并聯(lián)的方式連接。減少了電力系統中無(wú)功功率的輸出，使電力設備的負荷降低，為電力系統提升有功功率、提升功率因數、減少電力設備損耗等。
智能電容器集成了現代測控，電力電子，網(wǎng)絡(luò )通訊，自動(dòng)化控制，電力電容器等先進(jìn)技術(shù)。改變了傳統無(wú)功補償裝置落后的控制器技術(shù)和落后的機械式接觸器或機電一體化開(kāi)關(guān)作為投切電容器的投切技術(shù)，改變了傳統無(wú)功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，從而使新一代低壓無(wú)功補償設備具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價(jià)格更廉，節約成本更多，使用更加靈活，維護更加方便，使用壽命更長(cháng)，可靠性更高的特點(diǎn)，適應了現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。
關(guān)鍵詞：智能電力電容器；無(wú)功補償；并聯(lián)電容器；自動(dòng)貼切；功率因數

引言：
近年來(lái)，無(wú)功補償和諧波問(wèn)題成為電能質(zhì)量中十分棘手的問(wèn)題，對電力系統的危害也是被大家廣泛認知，國家和地方也相繼出臺了很多相關(guān)的標準和規定，由于電能質(zhì)量問(wèn)題的復雜特殊性，我司作為電能質(zhì)量產(chǎn)品供應商，也是積極投入研發(fā)出各類(lèi)治理產(chǎn)品，制定各類(lèi)解決方案，為電力系統保駕護航！
一、背景介紹：
1、功率因數偏低的危害
在供電系統中，由于感性電力負荷的存在，使得系統的自然功率因數較低，如不采用人工補償，以提高系統功率因數，將造成如下不良影響：
（1）降低了發(fā)電機的輸出功率，當發(fā)電機需提高無(wú)功輸出，低于額定功率因數運行時(shí)，將使發(fā)電機有功輸出降低。
（2）降低了變電、輸電設施的供電能力。
（3）設備及線(xiàn)路損耗增加。
（4）功率因數愈低，還會(huì )使線(xiàn)路及變壓器的電壓降增大。如果是沖擊性無(wú)功負載，還會(huì )使電網(wǎng)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，使得用電設備的運行條件惡化，以及供電質(zhì)量嚴重降低。
2、提高功率因數的好處
供電部門(mén)為了提高成本效益要求用戶(hù)提高功率因數，那提高功率因數對用戶(hù)端有什么好處呢？
① 通過(guò)改善功率因數，減少了線(xiàn)路中總電流和供電系統中的電氣元件，如變壓器、電器設備、導線(xiàn)等的容量，因此不但減少了投資費用，而且降低了本身電能的損耗。
② 良好的功因數值的確保，從而減少供電系統中的電壓損失，可以使負載電壓更穩定，改善電能的質(zhì)量。
③ 可以增加系統的裕度，挖掘出了發(fā)供電設備的潛力。如果系統的功率因數低，那么在既有設備容量不變的情況下，裝設電容器后，可以提高功率因數，增加負載的容量。同樣一臺1000kVA的變壓器，功率因數改變后，它就可以多承擔180kW的負載。
④ 減少了用戶(hù)的電費支出；透過(guò)上述各元件損失的減少及功率因數提高的電費優(yōu)惠。

可見(jiàn)，提高功率因數不僅對電力系統，而且對企業(yè)的經(jīng)濟運行有著(zhù)重大意義。工業(yè)企業(yè)在考慮提高功率因數時(shí)，應采用人工無(wú)功補償裝置，以提高電力系統的功率因數，改善供電質(zhì)量。
3、什么是無(wú)功補償？
無(wú)功補償，全稱(chēng)無(wú)功功率補償，是一種在電力供電系統中起提高電網(wǎng)的功率因數的作用，降低供電變壓器及輸送線(xiàn)路的損耗，提高供電效率，改善供電環(huán)境的技術(shù)。所以無(wú)功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個(gè)*的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到較大限度的減少電網(wǎng)的損耗，使電網(wǎng)質(zhì)量提高。反之，如選擇或使用不當，可能造成供電系統，電壓波動(dòng)，諧波增大等諸多因素。詳細介紹了無(wú)功補償的基本原理、意義、投切方式、線(xiàn)路、控制器、高低壓裝置、補償方式、存在的問(wèn)題等。
4、無(wú)功補償的意義？
（1）降低變壓器輸出無(wú)功功率，減少電網(wǎng)運行電流
（2）降低變壓器和電纜的損耗，節能明顯
（3）提高變壓器的利用率，輸出更多的有功功率
（4）提高電網(wǎng)的功率因素，避免用電罰款
（5）減少配電系統中的壓降，提高用戶(hù)端電壓
二、產(chǎn)品介紹
本文簡(jiǎn)單介紹下無(wú)功補償裝置之智能電力電容器。
1、電力電容器的補償原理
電容器在原理上相當于產(chǎn)生容性無(wú)功電流的發(fā)電機。其無(wú)功補償的原理是把具有容性功率負荷的裝置和感性功率負荷并聯(lián)在同一電容器上，能量在兩種負荷間相互轉換。這樣，電網(wǎng)中的變壓器和輸電線(xiàn)路的負荷降低，從而輸出有功能力增加。在輸出一定有功功率的情況下，供電系統的損耗降低。比較起來(lái)電容器是減輕變壓器、供電系統和工業(yè)配電負荷的簡(jiǎn)便、經(jīng)濟的方法。因此，電容器作為電力系統的無(wú)功補償勢在必行。當前，采用并聯(lián)電容器作為無(wú)功補償裝置已經(jīng)非常普遍。
2、電力電容器補償的特點(diǎn)
1）優(yōu)點(diǎn) 
電力電容器無(wú)功補償裝置具有安裝方便，安裝地點(diǎn)增減方便；有功損耗小(僅為額定容量的0.4 %左右)；建設周期短；投資??；無(wú)旋轉部件，運行維護簡(jiǎn)便；個(gè)別電容器組損壞，不影響整個(gè)電容器組運行等優(yōu)點(diǎn)。
2）缺點(diǎn) 
電力電容器無(wú)功補償裝置的缺點(diǎn)有：只能進(jìn)行有級調節,不能進(jìn)行平滑調節;通風(fēng)不良，一旦電容器運行溫度高于70℃時(shí)，易發(fā)生膨脹爆炸；電壓特性不好，對短路穩定性差，切除后有殘余電荷；無(wú)功補償精度低，易影響補償效果；補償電容器的運行管理困難及電容器安全運行的問(wèn)題未受到重視等。
3、主要應用領(lǐng)域有：
■居民小區配電系統
■市政商業(yè)建筑
■交通隧道配電系統
■箱變、成套柜、戶(hù)外配電箱
4、安科瑞電容補償裝置介紹
AZC/AZCL系列智能電力電容補償裝置是應用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節省能源、降低線(xiàn)損、提高功率因數和電能質(zhì)量的新一代無(wú)功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，線(xiàn)路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ幱扇劢z、復合開(kāi)關(guān)或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線(xiàn)連接而組成的自動(dòng)無(wú)功補償裝置。改變了傳統無(wú)功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，具有補償效果更好，體積更小，功耗更低，價(jià)格更廉，節約成本更多，使用更加靈活，維護更方便，使用壽命更長(cháng)，可靠性更高的特點(diǎn)，適應了現代電網(wǎng)對無(wú)功補償的更高要求。
（1）AZC系列智能電容器采用晶閘管復合開(kāi)關(guān)投切，較佳投切點(diǎn)，實(shí)現無(wú)弧通斷；完善的保護功能，集成在一個(gè)模塊內，安裝方便。

AZC系列智能電容器選型：

（2）AZCL是在A(yíng)ZC基礎上，串接合適電抗率（7%適用于5/7次以上諧波環(huán)境，14%適用于3/5/7次以上諧波環(huán)境）的電抗，可有效解決諧波，避免諧振放大諧波，保護電容柜本身壽命。

AZCL系列智能電容器選型：

上述兩種智能電容器采用LCD液晶顯示器，可實(shí)時(shí)顯示三相母線(xiàn)電壓、三相母線(xiàn)電流、三相功率因數、頻率、電容器路數及投切狀態(tài)、有功功率、無(wú)功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等電參量。通過(guò)內部晶閘管復合開(kāi)關(guān)電路，自動(dòng)尋找較佳投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現無(wú)弧通斷；保證過(guò)零投切，無(wú)涌流、觸點(diǎn)不燒結、微能耗、無(wú)諧波；同時(shí)具有抗干擾、防雷擊和電源缺相、空載跳閘的保護功能，特別適用于無(wú)功補償時(shí)切換電容器，不需加裝散熱器。
5、并聯(lián)電容器補償無(wú)功功率的方式功能特點(diǎn)：過(guò)零投切，分相補償，溫度保護，缺相保護，過(guò)壓、欠壓保護，諧波功能，智能網(wǎng)絡(luò )控制，高可靠性，積木結構，接線(xiàn)簡(jiǎn)單，擴容方便，維護方便，*。
（1）高壓集中補償
電容器組集中裝設在企業(yè)或地方總壓降變電所的6~10kV母線(xiàn)上， 用來(lái)提高整個(gè)變電所的功率因數，使該變電所的供電范圍內無(wú)功功率基本平衡，可減少高壓線(xiàn)的無(wú)功損耗，而且能夠提高本變電所的供電電壓質(zhì)量。
（2）分組補償
將電容器組分別裝設在功率因數較低的車(chē)間或廠(chǎng)區等終端變配電所高壓或低壓母線(xiàn)上。這種補償方式具有集中補償相同的優(yōu)點(diǎn)，僅無(wú)功補償的容量和范圍相對小些，但是分組補償的效果相對明顯，采用的也較為普遍。
（3）就地補償
將電容器或電容器組設在異步電動(dòng)機或電感性用電設備附近，就地進(jìn)行無(wú)功補償，也稱(chēng)單獨補償。這種方式既能提高用電設備的功率因數，又能改善用電設備的電壓質(zhì)量，對中、小型設備十分適用。
6、案例介紹
興化市某鑄鋼有限公司，生產(chǎn)現場(chǎng)負載主要是中頻爐和生產(chǎn)電機，配電室有1#、2#、3#變壓器，容量均為1250kVA。從現場(chǎng)工作人員了解到：無(wú)功需求主要由電機產(chǎn)生，1#、2#、3#變其下電機負載基本相同，之前電容柜（補償形式均為共補）投切過(guò)，發(fā)生過(guò)補償電容被擊穿燒毀的事故，中頻爐處于保溫狀態(tài)使，系統的功率因數偏低，已經(jīng)被*罰了很多款項。

 現場(chǎng)測量示意圖

公司工作人員在現場(chǎng)正常工況下，對其電能質(zhì)量進(jìn)行測量，然后結合現場(chǎng)和對測得數據進(jìn)行分析，得出主要原因有兩個(gè)方面：
*，原電容柜其下補償電容未串抗。系統中主要諧波為5、7、11、13次諧波?，F場(chǎng)電容柜未串聯(lián)電抗器，純電容型無(wú)功補償裝置相對諧波電流為低阻抗通道，因此補償裝置易放大諧波電流，嚴重時(shí)甚至可能與系統產(chǎn)生諧振，造成設備損毀，現場(chǎng)補償電容被燒毀的原因就在于此。
第二，1#變數據中，中頻爐剛開(kāi)啟時(shí)諧波電流182A，到保溫狀態(tài)，諧波電流250A，約1.3倍；3#變測量數據，兩臺中頻爐啟動(dòng)時(shí)諧波電流應該在400A左右，而到保溫狀態(tài)會(huì )超過(guò)500A，綜合考慮治理效果和成本，建議1#變選用300A有源濾波器，3#變選用500A有源濾波器進(jìn)行諧波治理，減小電網(wǎng)諧波，這樣電網(wǎng)諧波對電容柜的沖擊也會(huì )大大降低。
現考慮電容補償這部分的整治，由于該系統5次及以上諧波含量較大，建議對電容柜進(jìn)線(xiàn)改造，串聯(lián)7%電抗率的電抗（能抑制5次及以上諧波流入電容柜）。
以3#變測量數據為例，在正常工況下（此時(shí)負載以全部開(kāi)啟，電容柜未投入），負載有功總功率P約為680kW，功率因數為，若要達到目標功率因數，則需要補償的無(wú)功容量為：

 
由于無(wú)功的實(shí)際輸出和加在電容兩端的電壓平方成正比：，串抗之后還有一個(gè)與電抗率有關(guān)的衰減，這樣要保證360kvar的實(shí)際輸出，裝機容量則需：

 
考慮到電容柜工作時(shí)，電容器組能夠循環(huán)工作，避免所有電容器組滿(mǎn)負荷投切，故留有一定裕量，建議變壓器低壓側電容柜的裝機容量為600kvar。
 

智能電容主要器件選型表

 
每一臺智能集成電力電容器都可以獨立運行，更可以并聯(lián)組網(wǎng)運行。當組網(wǎng)運行時(shí)，智能集成電容器組中會(huì )自動(dòng)生成一臺主機控制其他從機進(jìn)行工作，當主機出現故障時(shí)，從機中會(huì )再生成一臺主機繼續控制整個(gè)補償系統；當從機出現故障時(shí)，它將自動(dòng)退運，不影響其它智能集成電力電容器的正常運行。
三、總結
無(wú)功補償是一項建設性的技術(shù)措施，對電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行有重要作用。電網(wǎng)和負載的特點(diǎn)選擇合理的補償方式是關(guān)鍵。針對目前電網(wǎng)諧波污染嚴重的現狀，在做無(wú)功補償時(shí)一定要選擇合適的裝置，避免諧振和諧波放大的現象,保證電容電抗的壽命和無(wú)功補償裝置的補償效果，為客戶(hù)創(chuàng )造價(jià)值。

【參考文獻】
[1]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版
[2]公眾號：自動(dòng)化控制技術(shù)控—侯成敬《什么是智能電容器？和普通電容器有什么區別？》