應用于無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的方式連接。減少了電力系統中無功功率的輸出，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，網絡通訊，自動化控制，電力電容器等先進技術。改變了傳統無功補償裝置落后的控制器技術和落后的機械式接觸器或機電一體化開關作為投切電容器的投切技術，改變了傳統無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功補償設備具有補償效果好，體積小，功耗低，價格廉，節約成本多，使用加靈活，維護加方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應了現代電網對無功補償的高要求。
關鍵詞：智能電力電容器；無功補償；并聯電容器；自動貼切；功率因數

引言：
近年來，無功補償和諧波問題成為電能質量中十分棘手的問題，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的標準和規定，由于電能質量問題的復雜特殊性，我司作為電能質量產品供應商，也是積極投入研發出各類治理產品，制定各類解決方案，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）降低了發電機的輸出功率，當發電機需提高無功輸出，低于額定功率因數運行時，將使發電機有功輸出降低。
（2）降低了變電、輸電設施的供電能力。
（3）設備及線路損耗增加。
（4）功率因數愈低，還會使線路及變壓器的電壓降增大。如果是沖擊性無功負載，還會使電網產生劇烈波動，使得用電設備的運行條件惡化，以及供電質量嚴重降低。
2、提高功率因數的好處
供電部門為了提高成本效益要求用戶提高功率因數，那提高功率因數對用戶端有什么好處呢？
① 通過改善功率因數，減少了線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，可以使負載電壓穩定，改善電能的質量。
③ 可以增加系統的裕度，挖掘出了發供電設備的潛力。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。
舉例而言，將1000kVA變壓器之功率因數從0.8提高到0.98時：
補償：1000×0.8=800kW
補償后：1000×0.98=980kW
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 減少了用戶的電費支出；透過上述各元件損失的減少及功率因數提高的電費惠。

可見，提高功率因數不僅對電力系統，而且對企業的經濟運行有著重大意義。工業企業在考慮提高功率因數時，應采用人工無功補償裝置，以提高電力系統的功率因數，改善供電質量。
3、什么是無功補償？
無功補償，全稱無功功率補償，是一種在電力供電系統中起提高電網的功率因數的作用，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境的技術。所以無功功率補償裝置在電力供電系統中處在一個*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。詳細介紹了無功補償的基本原理、意義、投切方式、線路、控制器、高低壓裝置、補償方式、存在的問題等。
4、無功補償的意義？
（1）降低變壓器輸出無功功率，減少電網運行電流
（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，輸出多的有功功率
（4）提高電網的功率因素，避免用電罰款
（5）減少配電系統中的壓降，提高用戶端電壓
二、產品介紹
本文簡單介紹下無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生容性無功電流的發電機。其無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在同一電容器上，能量在兩種負荷間相互轉換。這樣，電網中的變壓器和輸電線路的負荷降低，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。比較起來電容器是減輕變壓器、供電系統和工業配電負荷的簡便、經濟的方法。因此，電容器作為電力系統的無功補償勢在必行。當，采用并聯電容器作為無功補償裝置已經非常普遍。
2、電力電容器補償的特點
1）點
電力電容器無功補償裝置具有安裝方便，安裝地點增減方便；有功損耗小(僅為額定容量的0.4 %左右)；建設周期短；投資??；無旋轉部件，運行維護簡便；個別電容器組損壞，不影響整個電容器組運行等點。
2）缺點
電力電容器無功補償裝置的缺點有：只能進行有級調節,不能進行平滑調節;通風不良，一旦電容器運行溫度高于70℃時，易發生膨脹爆炸；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題未受到重視等。
3、主要應用領域有：
■居民小區配電系統
■市政商業建筑
■交通隧道配電系統
■箱變、成套柜、戶外配電箱
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、降低線損、提高功率因數和電能質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幱扇劢z、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。改變了傳統無功補償裝置體積龐大和笨重的結構模式，具有補償效果好，體積小，功耗低，價格廉，節約成本多，使用加靈活，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應了現代電網對無功補償的高要求。
（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，實現無弧通斷；完善的保護功能，集成在一個模塊內，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次以上諧波環境，14%適用于3/5/7次以上諧波環境）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。

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、頻率、電容器路數及投切狀態、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。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找較佳投入（切除）點，實現無弧通斷；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。
5、并聯電容器補償無功功率的方式功能特點：過零投切，分相補償，溫度保護，缺相保護，過壓、欠壓保護，諧波功能，智能網絡控制，高可靠性，積木結構，接線簡單，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或地方總壓降變電所的6~10kV母線上， 用來提高整個變電所的功率因數，使該變電所的供電范圍內無功功率基本平衡，可減少高壓線的無功損耗，而且能夠提高本變電所的供電電壓質量。
（2）分組補償
將電容器組分別裝設在功率因數較低的車間或廠區等終端變配電所高壓或低壓母線上。這種補償方式具有集中補償相同的點，僅無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機或電感性用電設備附近，就地進行無功補償，也稱單獨補償。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，生產現場負載主要是中頻爐和生產電機，配電室有1#、2#、3#變壓器，容量均為1250kVA。從現場工作人員了解到：無功需求主要由電機產生，1#、2#、3#變其下電機負載基本相同，之電容柜（補償形式均為共補）投切過，發生過補償電容被擊穿燒毀的事故，中頻爐處于保溫狀態使，系統的功率因數偏低，已經被罰了很多款項。

 現場測量示意圖

公司工作人員在現場正常工況下，對其電能質量進行測量，然后結合現場和對測得數據進行分析，得出主要原因有兩個方面：
，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場電容柜未串聯電抗器，純電容型無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，嚴重時甚至可能與系統產生諧振，造成設備損毀，現場補償電容被燒毀的原因就在于此。
第二，1#變數據中，中頻爐剛開啟時諧波電流182A，到保溫狀態，諧波電流250A，約1.3倍；3#變測量數據，兩臺中頻爐啟動時諧波電流應該在400A左右，而到保溫狀態會超過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有源濾波器進行諧波治理，減小電網諧波，這樣電網諧波對電容柜的沖擊也會大大降低。
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，建議對電容柜進線改造，串聯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（此時負載以全部開啟，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，則需要補償的無功容量為：

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

 
考慮到電容柜工作時，電容器組能夠循環工作，避免所有電容器組滿負荷投切，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。
智能電容配置方案：共補600kvar = 共補50kvar * 12
柜體尺寸：1200（W）*2200（H）*800（D）

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，可以并聯組網運行。當組網運行時，智能集成電容器組中會自動生成一臺主機控制其他從機進行工作，當主機出現故障時，從機中會再生成一臺主機繼續控制整個補償系統；當從機出現故障時，它將自動退運，不影響其它智能集成電力電容器的正常運行。
三、總結
無功補償是一項建設性的技術措施，對電網安全、經濟運行有重要作用。電網和負載的特點選擇合理的補償方式是關鍵。針對目電網諧波污染嚴重的現狀，在做無功補償時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功補償裝置的補償效果，為客戶創造價值。

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