無功補償基礎知識

    交流電在通過純電阻的時候,電能都轉成了熱能,而 在通過純容性或者純感性負載的時候,并不做功.也就是說沒有消耗電能,即為無功功率.當然實際負載,不可能為純容性負載或者純感性負載,一般都是混合性負 載,這樣電流在通過它們的時候,就有部分電能不做功,就是無功功率,此時的功率因數小于1,為了提高電能的利用率,就要進行無功補償.
    　　無功功率補償裝置在電子供電系統中所承擔的作用是提高電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。所以無功功率補 償裝置在電力供電系統中處在一個不可缺少的非常重要的位置。合理的選擇補償裝置，可以做到最大限度的減少網絡的損耗，使電網質量提高。反之，如選擇或使用 不當，可能造成供電系統，電壓波動，諧波增大等諸多因素。
    　　一、按投切方式分類:
    　　1. 延時投切方式
    　　延時投切方式即人們熟稱的"靜態"補償方式。這種投切依靠于傳統的接觸器的動作，當然用于投切電容的接觸器專用的，它具有抑制電容的涌流作用，延時投 切的目的在于防止接觸器過于頻繁的動作時，電容器造成損壞，更重要的是防備電容不停的投切導致供電系統振蕩，這是很危險的。當電網的負荷呈感性時，如電動 機、電焊機等負載，這時電網的電流滯帶后電壓一個角度，當負荷呈容性時，如過量的補償裝置的控制器，這是電網的電流超前于電壓的一個角度，即功率因數超前 或滯后是指電流與電壓的相位關系。通過補償裝置的控制器檢測供電系統的物理量，來決定電容器的投切，這個物理量可以是功率因數或無功電流或無功功率。
    　　下面就功率因數型舉例說明。當這個物理量滿足要求時，如cosΦ超前且>0.98，滯后且>0.95，在這個范圍內，此時控制器沒有控制 信號發出，這時已投入的電容器組不退出，沒投入的電容器組也不投入。當檢測到cosΦ不滿足要求時，如cosΦ滯后且<0.95，那么將一組電容器 投入，并繼續監測cosΦ如還不滿足要求，控制器則延時一段時間（延時時間可整定），再投入一組電容器，直到全部投入為止。當檢測到超前信號如 cosΦ<0.98,即呈容性載荷時，那么控制器就逐一切除電容器組。要遵循的原則就是：先投入的那組電容器組在切除時就要先切除。如果把延時時間 整定為300s，而這套補償裝置有十路電容器組，那么全部投入的時間就為30分鐘，切除也這樣。在這段時間內無功損失補只能是逐步到位。如果將延時時間整 定的很短，或沒有設定延時時間，就可能會出現這樣的情況。當控制器監測到cosΦ〈0.95，迅速將電容器組逐一投入，而在投入期間，此時電網可能已是容 性負載即過補償了，控制器則控制電容器組逐一切除，周而復始，形成震蕩，導致系統崩潰。是否能形成振蕩與負載的性質有密切關系，所以說這個參數需要根據現 場情況整定，要在保證系統安全的情況下，再考慮補償效果。
    　　2. 瞬時投切方式
    　　瞬時投切方式即人們熟稱的"動態"補償方式，應該說它是半導體電力器件與數字技術綜合的技術結晶，實際就是一套快速隨動系統，控制器一般能在半個周波 至1個周波內完成采樣、計算，在2個周期到來時，控制器已經發出控制信號了。通過脈沖信號使晶閘管導通，投切電容器組大約20-30毫秒內就完成一個全部 動作，這種控制方式是機械動作的接觸器類無法實現的。動態補償方式作為新一代的補償裝置有著廣泛的應用前景。現在很多開關行業廠都試圖生產、制造這類裝置 且有的生產廠已經生產出很不錯的裝置。當然與國外同類產品相比從性能上、元器件的質量、產品結構上還有一定的差距。
    　　動態補償的線路方式
    　　(1)LC串接法原理如圖1所示
    　　這種方式采用電感與電容的串聯接法，調節電抗以達到補償無功損耗的目的。從原理上分析，這種方式響應速度快，閉環使用時，可做到無差調節，使無功損耗 降為零。從元件的選擇上來說，根據補償量選擇1組電容器即可，不需要再分成多路。既然有這么多的優點，應該是非常理想的補償裝置了。但由于要求選用的電感 量值大，要在很大的動態范圍內調節，所以體積也相對較大，價格也要高一些，再加一些技術的原因，這項技術到目前來說還沒有被廣泛采用或使用者很少。
    　　(2)采用電力半導體器件作為電容器組的投切開關，較常采用的接線方式如圖2。圖中BK為半導體器件，C1為電容器組。這種接線方式采用2組開關，另一相直接接電網省去一組開關，有很多優越性。
    　　作為補償裝置所采用的半導體器件一般都采用晶閘管，其優點是選材方便，電路成熟又很經濟。其不足之處是元件本身不能快速關斷，在意外情況下容易燒毀， 所以保護措施要完善。當解決了保護問題，作為電容器組投切開關應該是較理想的器件。動態補償的補償效果還要看控制器是否有較高的性能及參數。很重要的一項 就是要求控制器要有良好的動態響應時間，準確的投切功率，還要有較高的自識別能力，這樣才能達到最佳的補償效果。
    　　當控制器采集到需要補償的信號發出一個指令（投入一組或多組電容器的指令），此時由觸發脈沖去觸發晶閘管導通，相應的電容器組也就并人線路運行。需要 強調的是晶閘管導通的條件必須滿足其所在相的電容器的端電壓為零，以避免涌流造成元件的損壞，半導體器件應該是無涌流投切。當控制指令撤消時，觸發脈沖隨 即消失，晶閘管零電流自然關斷。關斷后的電容器電壓為線路電壓交流峰值，必須由放電電阻盡快放電，以備電容器再次投入。
    　　元器件可以選單項晶閘管反并聯或是雙向晶閘管，也可選適合容性負載的固態接觸器，這樣可以省去過零觸發的脈沖電路，從而簡化線路，元件的耐壓及電流要合理選擇，散熱器及冷卻方式也要考慮周全。
    　　3.混合投切方式
    　　實際上就是靜態與動態補償的混合，一部分電容器組使用接觸器投切，而另一部分電容器組使用電力半導體器件。這種方式在一定程度上可做到優勢互補，但就 其控制技術，目前還見到完善的控制軟件，該方式用于通常的網絡如工礦、小區、域網改造，比起單一的投切方式拓寬了應用范圍，節能效果更好。補償裝置選擇非 等容電容器組，這種方式補償效果更加細致，更為理想。還可采用分相補償方式，可以解決由于線路三相不平行造成的損失。
    　　4. 在無功功率補償裝置的應用方面，選擇那一種補償方式，還要依電網的狀況而定，首先對所補償的線路要有所了解，對于負荷較大且變化較快的工況，電焊機、電動 機的線路采用動態補償，節能效果明顯。對于負荷相對平穩的線路應采用靜態補償方式，也可使用動態補償裝置。一般電焊工作時間均在幾秒鐘以上，電動機啟動也 在幾秒鐘以上，而動態補償的響應時間在幾十毫秒，按40毫秒考慮則從40毫秒到5秒鐘之內是一個相對的穩態過程，動態補償裝置能完成這個過程。
    　　二、無功功率補償控制器
    　　無功功率補償控制器有三種采樣方式，功率因數型、無功功率型、無功電流型。選擇那一種物理控制方式實際上就是對無功功率補償控制器的選擇。控制器是無 功補償裝置的指揮系統，采樣、運算、發出投切信號，參數設定、測量、元件保護等功能均由補償控制器完成。十幾年來經歷了由分立元件--集成線路--單片機 --DSP芯片一個快速發展的過程，其功能也愈加完善。就國內的總體狀況，由于市場的需求量很大，生產廠家也愈來愈多，其性能及內在質量差異很大，很多產 品名不符實，在選用時需認真對待。在選用時需要注意的另一個問題就是國內生產的控制器其名稱均為"XXX無功功率補償控制器"，名稱里出現的"無功功率" 的含義不是這臺控制器的采樣物理量。采樣物理量取決于產品的型號，而不是產品的名稱。
    　　1.功率因數型控制器
    　　功率因數用cosΦ表示，它表示有功功率在線路中所占的比例。當cosΦ=1時，線路中沒有無功損耗。提高功率因數以減少無功損耗是這類控制器的最終目標。這種控制方式也是很傳統的方式，采樣、控制也都較容易實現。
    　　* "延時"整定，投切的延時時間，應在10s-120s范圍內調節 "靈敏度"整定，電流靈敏度，不大于0-2A 。
    　　* 投入及切除門限整定，其功率因數應能在0.85（滯后）-0.95（超前）范圍內整定。
    　　* 過壓保護設量
    　　* 顯示設置、循環投切等功能
    　　這種采樣方式在運行中既要保證線路系統穩定、無振蕩現象出現，又要兼顧補償效果，這是一對矛盾，只能在現場視具體情況將參數整定在較好的狀態下工作。 即使調整的較好，也無法禰補這種方式本身的缺陷，尤其是在線路重負荷時。舉例說明：設定投入門限；cosΦ=0.95（滯后）此時線路重載荷，即使此時的 無功損耗已很大，再投電容器組也不會出現過補償，但cosΦ只要不小于0.95，控制器就不會再有補償指令，也就不會有電容器組投入，所以這種控制方式建 議不做為推薦的方式。
    　　2. 無功功率（無功電流）型控制器
    　　無功功率（無功電流）型的控制器較完善的解決了功率因數型的缺陷。一個設計良好的無功型控制器是智能化的，有很強的適應能力，能兼顧線路的穩定性及檢測及補償效果，并能對補償裝置進行完善的保護及檢測，這類控制器一般都具有以下功能：
    　　* 四象限操作、自動、手動切換、自識別各路電容器組的功率、根據負載自動調節切換時間、諧波過壓報警及保護、線路諧振報警、過電壓保護、線路低電流報警、電壓、電流畸變率測量、顯示電容器功率、顯示cosΦ、U、I、S、P、Q及頻率。
    　　由以上功能就可以看出其控制功能的完備，由于是無功型的控制器，也就將補償裝置的效果發揮得淋漓盡致。如線路在重負荷時，那怕cosΦ已達到 0.99（滯后），只要再投一組電容器不發生過補，也還會再投入一組電容器，使補償效果達到最佳的狀態。采用DSP芯片的控制器，運算速度大幅度提高，使 得富里葉變換得到實現。當然，不是所有的無功型控制器都有這么完備的功能。國內的產品相對于國外的產品還存在一定的差距。
    　　3. 用于動態補償的控制器
    　　對于這種控制器要求就更高了，一般是與觸發脈沖形成電路一并考慮的，要求控制器抗干擾能力強，運算速度快，更重要的是有很好的完成動態補償功能。由于這類控制器也都基于無功型，所以它具備靜態無功型的特點。
    　　目前，國內用于動態補償的控制器，與國外同類產品相比有較大的差距，一是在動態響應時間上較慢，動態響應時間重復性不好；二是補償功率不能一步到位， 沖擊電流過大，系統特性容易漂移，維護成本高、造成設備整體投資費用高。另外，相應的國家標準也尚未見到，這方面落后于發展。
    　　三、濾波補償系統
    　　由于現代半導體器件應用愈來愈普遍，功率也更大，但它的負面影響就是產生很大的非正弦電流。使電網的諧波電壓升高，畸變率增大，電網供電質量變壞。
    　　如果供電線路上有較大的諧波電壓，尤其5次以上，這些諧波將被補償裝置放大。電容器組與線路串聯諧振，使線路上的電壓、電流畸變率增大，還有可能造成 設備損壞，再這種情況下補償裝置是不可使用的。最好的解決方法就是在電容器組串接電抗器來組成諧波濾波器。濾波器的設計要使在工頻情況下呈容性，以對線路 進行無功補償，對于諧波則為感性負載，以吸收部分諧波電流，改善線路的畸變率。增加電抗器后，要考慮電容端電壓升高的問題。
    　　濾波補償裝置即補償了無功損耗又改善了線路質量，雖然成本提高較多，但對于諧波成分較大的線路還是應盡量考慮采用，不能認為裝置一時不出問題就認為沒有問題存在。很多情況下，采用五次、七次、十一次或高通濾波器可以在補償無功功率的同時，對系統中的諧波進行消除。
    　　無功動態補償裝置工作原理與結構特點
    　　無功動態補償裝置由控制器、晶閘管、并聯電容器、電抗器、過零觸發模塊、放電保護器件等組成。裝置實時跟蹤測量負荷的電壓、電流、無功功率和功率因 數，通過微機進行分析，計算出無功功率并與預先設定的數值進行比較，自動選擇能達到最佳補償效果的補償容量并發出指令，由過零觸發模塊判斷雙向可控硅的導 通時刻，實現快速、無沖擊地投入并聯電容器組。
    　　例子:
    　　一、SLTF型低壓無功動態補償裝置：適用于交流50 Hz、額定電壓在660 V以下，負載功率變化較大，對電壓波動和功率因數有較高要求的電力、汽車、石油、化工、冶金、鐵路、港口、煤礦、油田等行業。
    　　基本技術參數及工作環境：
    　　環境溫度：-25oC~+40oC(戶外型)；-5oC~+40oC (戶內型)，最大日平均溫度30oC
    　　海拔高度：1000 m
    　　相對濕度：< 85% (+25oC)
    　　最大降雨：50 mm/10 min
    　　安裝環境：周圍介質無爆炸及易燃危險、無足以損壞絕緣及腐蝕金屬的氣體、無導電塵埃。無劇烈震動和顛簸，安裝傾斜度<5%。
    　　技術指標：額定電壓：220 V、380 V(50 Hz)
    　　判斷依據：無功功率、電壓
    　　響應時間：< 20 ms
    　　補償容量：90 kvar~900 kvar
    　　允許誤差：0~10%
    　　二、SHFC型高壓無功自動補償裝置：適用于6kV~10kV變電站，可在I段和II段母線上任意配置1~4組電容器，適應變電站的各種運行方式。
    　　基本技術參數及工作環境：
    　　正常工作溫度：-15~+50oC，相對濕度<85%，海拔高度：2000 m
    　　技術指標：額定電壓：6 kV~10 kV
    　　交流電壓取樣：100 V (PT二次線電壓)
    　　交流電流取樣：0~5 A(若 PT 取 10 kV 側二次 A、C 線電壓時，CT 應取 B 相電流)
    　　電壓整定值：6~6.6 kV 10~11 kV 可調
    　　電流互感器變比：200~5000 /5 A 可調
    　　動作間隔時間；1~60 min可調
    　　動作需系統穩定時間：2~10 min可調
    　　功率因數整定：0.8~0.99 可調
    　　技術特征：電壓優先：按電壓質量要求自動投切電容器，使母線電壓始終處于規定范圍。
    　　自動補償：依據無功大小自動投切電容器組，使系統不過壓、不過補、無功損耗始終處于最小的狀態。
    　　記錄監測：可自動或隨時調出監測數據、運行記錄、電壓合格率統計表等 (選配)。
    　　智能控制：在自動發出各動作控制指令之前，首先探詢動作后可能出現的所有超限定值，減少動作次數。
    　　異常報警閉鎖：當電容器控制回路繼保動作、拒動和控制器失電時發出聲光報警，顯示故障部位和閉鎖出口。
    　　安全防護：手動可退出任一電容器組的自投狀態，控制器自動閉鎖并退出控制。
    　　模糊控制：當系統處于電壓合格范圍的高端且在特定環境時如何實施綜控原則是該系列產品設計的難點。由于現場諸多因素，如配置環境、受電狀況、動作時 間、用戶對動作次數的限制等 而引起頻繁動作是用戶最為擔擾的。應用模糊控制正是考慮了以上諸多因素而使這一“盲區”得到合理解決。
    　　無功補償常出現的問題
    　　1、電容器損壞頻繁。
    　　2、電容器外熔斷器在投切電容器組及運行中常發生熔斷。
    　　3、電容器組經常投入使用率低。
    　　針對以上問題，我們認為有必要進行專題研究，對無功補償設備進行綜合整治，以達到無功補償設備使用化運行，提高電網電壓無功質量和電能合格率。針對上述情況我們分析可能存在的原因如下：
    　　1、電容器損壞主要原因由于在選擇電壓等級時沒有考慮諧波背景的影響，造成所選擇的電壓等級偏低，長期運行電容器將容易損壞。
    　　2、電容器外熔斷器經常發生熔斷，主要是合閘涌流對熔斷器的沖擊或者熔斷器額定電流的選擇偏小造成的，或是不同電抗率組別的電容器組投切順序不當所致。
    　　電容器投入使用率低主要是由于在電容器容量選擇及分配不當造成的。