基于智能電容器的無(wú)功補償裝置節能效果研究與分析

摘 要：本文在對無(wú)功補償裝置的節能效果進(jìn)行分析的基礎上，針對傳統低壓無(wú)功補償裝置使用中存在的問(wèn)題，提出采用智能電容器來(lái)提高無(wú)功補償裝置性能，以應對新能源發(fā)電和非線(xiàn)性負載接入電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：無(wú)功補償；智能電容器；節能

—、前言

為了提高電能的使用效率，較大限度地利用發(fā)電機的容量，減少線(xiàn)損，推廣無(wú)功補償裝置是國家節能工程之一電機系統節能工程的重要內容。*公司明確要求，“電力系統配置的無(wú)功補償裝置應能保證在系統有功負荷高峰和負荷低谷運行方式下，分（電壓）層和分（供電）區的無(wú)功平衡。”電力用戶(hù)應根據其負荷特點(diǎn)，合理配置無(wú)功補償裝置，要求100KVA及以上高壓供電的電力用戶(hù)，在用戶(hù)高峰負荷時(shí)變壓器高壓側功率因數不低于0.95。為了滿(mǎn)足上述要求，絕大多數工礦企業(yè)均配置了無(wú)功補償裝置對無(wú)功功率進(jìn)行補償。

二、無(wú)功補償裝置的配置與節能效果分析

低壓配電網(wǎng)的無(wú)功補償以配電變壓器低壓側集中補償為主，高壓補償為輔。無(wú)功補償裝置容量可按變壓器大負載率為75%，負荷自然功率因數為0.85考慮，補償到變壓器較大,負荷時(shí)其高壓側功率因數不低于0.95，或按照變壓器容量的20%?40%進(jìn)行配置。

設配電變壓器向負荷輸送的有功功率為定值P，電壓為額定電壓U，可導出線(xiàn)路的功率損耗與功率因數的關(guān)系如式（1），其曲線(xiàn)如圖1所示。

△P%=（1/cos²φ-1）**（1）

從圖中不難看出，功率因數從1降低到0.95時(shí)，線(xiàn)路損耗將增加10.8%；功率因數從1降低到0.6時(shí)，線(xiàn)路損耗增加177.8%。反之，在線(xiàn)路中增加無(wú)功補償裝置，將使線(xiàn)路的損耗減少。如將功率因數從不同的值提高到0.95，可導出線(xiàn)路的功率損耗率與功率因數的關(guān)系如式（2）,其曲線(xiàn)如圖2所示。

△P%=[1-(cosφ/0.95) ²]**（2）

由圖可以看出，功率因數從0.6上升到0.95時(shí)，線(xiàn)路損耗將減少60.1%，功率因數從0.9上升到0.95時(shí)，線(xiàn)路損耗將減少10.2%。

三、無(wú)功補償裝置存在的問(wèn)題及智能電容器的應用

在實(shí)際供電系統中，由于受使用環(huán)境如工作電壓、溫度、海拔以及諧波的影響，無(wú)功補償裝置運行過(guò)程中往往存在一些問(wèn)題：1、按系統容量要求計算、設計的補償裝置運行中岀現支路斷路器過(guò)載跳閘，甚至斷路器合不上閘的故障；2、補償裝置投運一段時(shí)間后，補償容量出現下降的問(wèn)題；3、自愈式電容器自愈失效，內部產(chǎn)生氣體而使電容器內外壓差變大引起電容器爆炸；4、電容器的壽命縮短，達不到廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)的要求。這些現象的出現，原因是多方面的。除了電容器本身質(zhì)量等因素外，使用環(huán)節的問(wèn)題也不容忽視。

隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)功補償裝置釆用的電容器已用自愈式電容器代替油浸式紙介電容器。而智能電容器作為一種集成了現代測控、電力電子、網(wǎng)絡(luò )通訊、自動(dòng)控制、新型絕緣材料等先進(jìn)技術(shù)的新產(chǎn)品將具有良好的推廣應用前景，使基于智能電容器的新一代低壓無(wú)功補償設備具有補償效果好，體積小，功耗低，現場(chǎng)接線(xiàn)簡(jiǎn)單、使用靈活、維護方便、使用壽命長(cháng)、可靠性高、可標準化生產(chǎn)的特點(diǎn)。

智能電容器釆用模塊化設計，其組成框圖如圖3所示：

與傳統無(wú)功補償裝置比較，釆用智能電容器的無(wú)功補償裝置，具有如下特點(diǎn)：

3.1由于智能電容器集成了保護、控制、通信功能模塊，因此智能電容器可單臺使用，多臺聯(lián)網(wǎng)使用就能實(shí)現無(wú)功補償容量的擴充?？朔藗鹘y無(wú)功補償裝置由于補償控制器損壞則只能手動(dòng)控制、個(gè)別電容器質(zhì)量問(wèn)題引起整機停機等缺點(diǎn)。

3.2自愈式電容器內置溫度傳感器，可以及時(shí)發(fā)現電容器內部可能出現的過(guò)熱問(wèn)題，實(shí)現過(guò)溫報警、保護。據德國史泰拿公司的資料表明，金屬化膜的介電強度隨溫度升高而下降，85℃時(shí)介電強度降低至室溫下的77%?87%。此外，由于高原地區空氣密度下降，使電容器的散熱效果變差，過(guò)高的溫度將大大加快絕緣材料老化速度，降低其使用壽命。生產(chǎn)地與使用地的不同海拔造成電容器在高原地區使用時(shí)內外壓差增加，易引起電容器出現鼓包現象。因此，電容器工作溫度的有效監測及保護對延長(cháng)其使用壽命的作用十分有效。

3.3智能電容器內投切開(kāi)關(guān)模塊將不再以機械式接觸器作為投切電容器的手段，而是由晶閘管及保護電路、磁保持繼電器、過(guò)零觸發(fā)導通電路構成，實(shí)現電容器“過(guò)零投切”，使電容器投切過(guò)程無(wú)涌流沖擊，無(wú)操作過(guò)電壓。據有關(guān)統計資料，由于釆用過(guò)零投切，減少了過(guò)電壓對電容器的沖擊，電容器的使用壽命可延長(cháng)2~3倍。

3.4智能電容器具有過(guò)壓、欠壓、缺相、過(guò)流、諧波畸變率保護等功能，在故障發(fā)生時(shí)能自動(dòng)退出運行，實(shí)現主動(dòng)保護，在故障解除后，自動(dòng)恢復工作，與僅靠熔絲保護(內部保護)和斷路器保護相比其可靠性有質(zhì)的提升。例如研究認為，當電容器的工作電壓超過(guò)額定電壓15%時(shí)，其壽命就可以縮短到運行于額定電壓時(shí)的35%左右。因此，嚴格限制電容器運行電壓，是保證其運行的重要措施。

3.5在電容器的投切方式上：可釆用直接投切，循環(huán)投切和積分運算方法投切等多種方式，既保證補償效果，又減少投切次數，避免不必要的投切。如果以無(wú)功功率為控制量，釆用無(wú)功潮流預測和延時(shí)多點(diǎn)采樣技術(shù)，可確保投切無(wú)振蕩。

四、諧波對無(wú)功補償裝置的影響及對策

由于風(fēng)電機組、光伏電站等新能源電源以及各種非線(xiàn)性負載的接入，諧波對電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響日益突出。僅就諧波來(lái)說(shuō)，當系統中諧波總畸變率THD_V≤5%時(shí)，系統中設備基本能維持運行，因此，國家標準規定380V電壓等級的諧波總畸變率限值為5%氣當5%<THD_v≤10%時(shí)，敏感設備將出現故障；當THD_v>10%時(shí)，大部分設備將出現故障。因此，一方面，各國標準對電網(wǎng)諧波提出了限值，如美國標準IEEE519,英國工程導則G5/3及之后的G5/4，歐洲標準IEC1000-2-2等。另一方面，諧波的產(chǎn)生又不可避免。因此，應根據電網(wǎng)諧波的情況，研究諧波對電容器的影響（如溫升），以選擇合適的無(wú)功補償方案。

在既有的系統中，可以采用FlukeF434/F433等三相電能質(zhì)量分析儀對供電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行測試。這類(lèi)設備一般可輸入4個(gè)電壓和電流（3相+中性點(diǎn)）值，測量電壓和電流真有效值和峰值、頻率、驟降和驟升、瞬態(tài)尖峰脈沖、功率和功耗、諧波、間諧波、閃變和三相不平衡度等。分析高達50次的諧波，并根據IEC標準的要求測量和記錄諧波總畸變率（THD）。 數據文件還可傳輸到PC，利用FlukeView軟件做進(jìn)一步的分析。根據分析的結果確定相應的無(wú)功補償方案。

在新設計的系統中，可根據產(chǎn)生諧波的設備總容量Sn與電源變壓器容量So的比值來(lái)確定無(wú)功補償方案。同時(shí)還要考慮由于為了提高無(wú)功補償裝置耐受諧波的能力而串聯(lián)電抗器引起的電容器運行電壓升高。可遵循的規則是：當Sn≤10%So時(shí)，可使用額定電壓等級的電容器構成無(wú)功補償裝置；當lO%So<Sn<2O%So時(shí)，應使用比電源額定電壓高10%電容器構成無(wú)功補償裝置；當Sn≥20%So時(shí)，應使用電容器串聯(lián)電抗器方式，對諧波分量進(jìn)行制止，使之在1.1倍的電容器額定電壓的情況下，諧波量不使電容器的電流大于其額定電流的1.3倍。此外，當諧波存在時(shí)，在一定的參數下電容器組會(huì )對諧波起放大作用（諧振），危及電容器本身和其他電氣設備的，此時(shí)應采取濾波、或限制電容器組的投入容量來(lái)避免。

五、安科瑞智能電容器產(chǎn)品介紹

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。

六、結束語(yǔ)

有效且較大限度的利用能源是有價(jià)值的資源。無(wú)功補償裝置的節電效果主要是提高電能的使用效率。為了適應各種新能源發(fā)電設備接入電網(wǎng)的要求，無(wú)功補償裝置也面臨新的挑戰。提高其智能化水平無(wú)疑是一種有效的途徑。

【參考文獻】

• 謝國政，張恒，宋露.基于智能電容器的無(wú)功補償裝置研究[J].中國學(xué)術(shù)期刊1994-2020
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• 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊.2019.11版
• 安科瑞電能質(zhì)量監測與治理選型手冊.2019.11版