基于智能電容器的無功補償裝置節(jié)能效果研究與分析

時間：2020-09-09

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

關鍵詞：無功補償;智能電容器;節(jié)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，減少線損，推廣無功補償裝置是國家**節(jié)能工程之一電機系統(tǒng)節(jié)能工程的重要內(nèi)容。國家電網(wǎng)公司明確要求，“電力系統(tǒng)配置的無功補償裝置應能保證在系統(tǒng)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(qū)的無功平衡?！彪娏τ脩魬鶕?jù)其負荷特點，合理配置無功補償裝置，要求100KVA及以上高壓供電的電力用戶，在用戶高峰負荷時變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)不**0.95。為了滿足上述要求，絕大多數(shù)工礦企業(yè)均配置了無功補償裝置對無功功率進行補償。

二、無功補償裝置的配置與節(jié)能效果分析

低壓配電網(wǎng)的無功補償以配電變壓器低壓側(cè)集中補償為主，高壓補償為輔。無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(shù)為0.85考慮，補償?shù)阶儔浩鬏^大,負荷時其高壓側(cè)功率因數(shù)不**0.95，或按照變壓器容量的20%?40%進行配置。

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，可導出線路的功率損耗與功率因數(shù)的關系如式(1)，其曲線如圖1所示。

△P%=(1/cos2φ-1)***(1)

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

△P%=[1-(cosφ/0.95) 2]***(2)

由圖可以看出，功率因數(shù)從0.6上升到0.95時，線路損耗將減少60.1%，功率因數(shù)從0.9上升到0.95時，線路損耗將減少10.2%。

三、無功補償裝置存在的問題及智能電容器的應用

在實際供電系統(tǒng)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，無功補償裝置運行過程中往往存在一些問題：1、按系統(tǒng)容量要求計算、設計的補償裝置運行中岀現(xiàn)支路斷路器過載跳閘，甚至斷路器合不上閘的故障;2、補償裝置投運一段時間后，補償容量出現(xiàn)下降的問題;3、自愈式電容器自愈失效，內(nèi)部產(chǎn)生氣體而使電容器內(nèi)外壓差變大引起電容器爆炸;4、電容器的壽命縮短，達不到廠家說明書的要求。這些現(xiàn)象的出現(xiàn)，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(jié)的問題也不容忽視。

隨著技術的發(fā)展，無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(xiàn)代測控、電力電子、網(wǎng)絡通訊、自動控制、新型絕緣材料等**技術的新產(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功補償設備具有補償效果好，體積小，功耗低，現(xiàn)場接線簡單、使用靈活、維護方便、使用壽命長、可靠性高、可標準化生產(chǎn)的特點。

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(tǒng)無功補償裝置比較，釆用智能電容器的無功補償裝置，具有如下特點：

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獨立使用，多臺聯(lián)網(wǎng)使用就能實現(xiàn)無功補償容量的擴充。克服了傳統(tǒng)無功補償裝置由于補償控制器損壞則只能手動控制、個別電容器質(zhì)量問題引起整機停機等缺點。

3.2自愈式電容器內(nèi)置溫度傳感器，可以及時發(fā)現(xiàn)電容器內(nèi)部可能出現(xiàn)的過熱問題，實現(xiàn)過溫報警、保護。據(jù)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℃時介電強度降低至室溫下的77%?87%。此外，由于高原地區(qū)空氣密度下降，使電容器的散熱效果變差，過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(qū)使用時內(nèi)外壓差增加，易引起電容器出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。因此，電容器工作溫度的監(jiān)測及保護對延長其使用壽命的作用十分有效。

3.3智能電容器內(nèi)投切開關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、過零觸發(fā)導通電路構成，實現(xiàn)電容器“過零投切”，使電容器投切過程無涌流沖擊，無操作過電壓。據(jù)有關統(tǒng)計資料，由于釆用過零投切，減少了過電壓對電容器的沖擊，電容器的使用壽命可延長2~3倍。

3.4智能電容器具有過壓、欠壓、缺相、過流、諧波畸變率保護等功能，在故障發(fā)生時能自動退出運行，實現(xiàn)主動保護，在故障解除后，自動恢復工作，與僅靠熔絲保護(內(nèi)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**過額定電壓15%時，其壽命就可以縮短到運行于額定電壓時的35%左右。因此，嚴格限制電容器運行電壓，是保證其安全運行的重要措施。

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(shù)，避免不必要的投切。如果以無功功率為控制量，釆用無功潮流預測和延時多點采樣技術，可確保投切無振蕩。

四、諧波對無功補償裝置的影響及對策

由于風電機組、光伏電站等新能源電源以及各種非線性負載的接入，諧波對電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響日益**。僅就諧波來說，當系統(tǒng)中諧波總畸變率THDV≤5%時，系統(tǒng)中設備基本能維持運行，因此，國家標準規(guī)定380V電壓等級的諧波總畸變率限值為5%氣當5%10%時，大部分設備將出現(xiàn)故障。因此，一方面，各標準準對電網(wǎng)諧波提出了限值，如美標準準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(jù)電網(wǎng)諧波的情況，研究諧波對電容器的影響(如溫升)，以選擇合適的無功補償方案。

在既有的系統(tǒng)中，可以采用FlukeF434/F433等三相電能質(zhì)量分析儀對供電網(wǎng)絡進行測試。這類設備一般可輸入4個電壓和電流(3相+中性點)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(jù)IEC標準的要求測量和記錄諧波總畸變率(THD)。數(shù)據(jù)文件還可傳輸?shù)絇C，利用FlukeView軟件做進一步的分析。根據(jù)分析的結果確定相應的無功補償方案。

在新設計的系統(tǒng)中，可根據(jù)產(chǎn)生諧波的設備總?cè)萘縎n與電源變壓器容量So的比值來確定無功補償方案。同時還要考慮由于為了提高無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?？勺裱囊?guī)則是：當Sn≤10%So時，可使用額定電壓等級的電容器構成無功補償裝置;當lO%So

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(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。改變了傳統(tǒng)無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，具有補償效果較好，體積較小，功耗較低，價格較廉，節(jié)約成本更多，使用較加靈活，維護較方便，使用壽命較長，可靠性較高的特點，適應了現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)妮^高要求。

(1)AZC系列智能電容器采用晶閘管復合開關投切，較佳投切點，實現(xiàn)無弧通斷;完善的保護功能，集成在一個模塊內(nèi)，安裝方便。

AZC系列智能電容器選型：

(2)AZCL是在AZC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，可實時顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等電參量。通過內(nèi)部晶閘管復合開關電路，自動尋找較佳投入(切除)點，實現(xiàn)無弧通斷;保證過零投切，無涌流、觸點不燒結、微能耗、無諧波;同時具有抗干擾、防雷擊和電源缺相、空載跳閘的保護功能，特別適用于無功補償時切換電容器，不需加裝散熱器。

六、結束語

較大限度的利用能源是有**的資源。無功補償裝置的節(jié)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，無功補償裝置也面臨新的挑戰(zhàn)。提高其智能化水平無疑是一種途徑。

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