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新一代電容器投切器件--復(fù)合開(kāi)關(guān)及無(wú)功補(bǔ)償方案
摘要：綜合國(guó)內(nèi)低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)，對(duì)此類裝置的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，指出當(dāng)今新一代的補(bǔ)償裝置將向主要采用智能式復(fù)合開(kāi)關(guān)來(lái)投切電容器的方向發(fā)展，本文對(duì)智能式復(fù)合開(kāi)關(guān)及補(bǔ)償成套裝置的性能、結(jié)構(gòu)作了介紹。
在低壓配電系統(tǒng)中，由于配電變壓器、低壓用電設(shè)備等無(wú)功負(fù)荷的大量存在，造成了網(wǎng)絡(luò)損耗的增大，電壓質(zhì)量的下降，從而嚴(yán)重影響了低壓電網(wǎng)安全可靠的運(yùn)行。隨著供電部門對(duì)配電建設(shè)的重視和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，以及日前電力緊缺，使低壓無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，并在近幾年的兩網(wǎng)改造中，被作為是一種降損調(diào)壓的有效措施。因此低壓并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置得到了廣泛使用，補(bǔ)償裝置安裝于配變二次側(cè)，采用自動(dòng)投切并聯(lián)電容器組，以期改善功率因素，達(dá)到無(wú)功就地平衡，它在補(bǔ)償電網(wǎng)所需無(wú)功、降損節(jié)能、提高電壓質(zhì)量、增加電網(wǎng)輸送能力和電氣設(shè)備利用率等方面，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
目前在市場(chǎng)上不同類型和不同型號(hào)的低壓并聯(lián)電容器裝置成套產(chǎn)品已達(dá)數(shù)百種之多，其投切方式也是多種多樣，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的裝置所采用的投切器件可分為三類：機(jī)械式接觸器、無(wú)觸點(diǎn)晶閘管(即固態(tài)繼電器)和電子復(fù)合開(kāi)關(guān)。
早期的裝置多采用接觸器來(lái)投切電容器組，但由于此類產(chǎn)品在投入過(guò)程中，電容器組的初始電壓為零，而在合閘瞬間，電網(wǎng)電壓又往往不為零，使加在電容器組兩端的電壓突然升高，而產(chǎn)生一個(gè)很大的電流，即是我們常說(shuō)的合閘涌流，這種情況在背靠背投入時(shí)會(huì)更嚴(yán)重，甚至可能達(dá)到額定電流的幾十倍，不僅對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，而且影響電容器的使用壽命，后來(lái)出現(xiàn)了于電容器組的接觸器，通過(guò)加入限流電阻來(lái)抑制涌流，試驗(yàn)證明，以此類接觸器投切電容器組，涌流一般能控制在額定電流的20倍以內(nèi)。接觸器在切出時(shí)，不一定是在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷，會(huì)產(chǎn)生拉弧，會(huì)導(dǎo)致交流接觸器觸頭逐漸損壞。從長(zhǎng)期運(yùn)行情況來(lái)看，由于涌流及拉弧致使交流接觸器觸頭燒毀或粘結(jié)，始終是影響此類裝置使用壽命的根本原因。而其優(yōu)點(diǎn)是在接觸后，無(wú)壓降，因而無(wú)損耗。
晶閘管投切電容器的技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償方面的應(yīng)用特點(diǎn)是：在檢測(cè)到電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)，控制大功率可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，電容器上電壓緩慢上升而無(wú)合閘涌流沖擊；在切出時(shí)，利用可控硅的電流過(guò)零自動(dòng)關(guān)斷特性，使在電流過(guò)零時(shí)自動(dòng)關(guān)斷，不會(huì)產(chǎn)生拉弧。從而根本上解決了電力電容器投切時(shí)交流接觸器經(jīng)常繞結(jié)而損壞的不良情況。但在實(shí)際運(yùn)行中，無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)頭也暴露出不足，一是由于可控硅導(dǎo)通后，存在0.7V的結(jié)壓降，因而會(huì)產(chǎn)生諧波電流，影響電容器的正常運(yùn)行；二是可控硅的大功耗特性使其在長(zhǎng)期運(yùn)行中，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，從而引起過(guò)高的溫升，影響它正常工作，就要求在裝置內(nèi)安裝散熱風(fēng)扇，但由于風(fēng)扇的壽命有限，使其沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用。三是功耗大，在電網(wǎng)中減少損耗的同時(shí)，亦增加了損耗。
從上面分析知：交流接觸器與晶閘管投切電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)膬?yōu)缺點(diǎn)適好相反。
近年來(lái)浙江大榮電氣有限公司總結(jié)了機(jī)械式接觸器開(kāi)關(guān)和無(wú)觸點(diǎn)晶閘管開(kāi)關(guān)各自的特點(diǎn)及弊端，并結(jié)合多年的開(kāi)發(fā)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出新一代開(kāi)關(guān)器件----接觸器和可控硅并聯(lián)工作的開(kāi)關(guān)，也就是復(fù)合開(kāi)關(guān)，其工作原理是：將可控硅開(kāi)關(guān)與磁保持繼電器并接，實(shí)現(xiàn)電壓過(guò)零導(dǎo)通和電流過(guò)零切斷，使復(fù)合開(kāi)關(guān)在接通和斷開(kāi)的瞬間具有可控硅開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，而在正常接通期間又具有接觸器開(kāi)關(guān)無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)方法是：投入時(shí)是在電壓過(guò)零瞬間可控硅先過(guò)零觸發(fā)，穩(wěn)定后再將磁保持繼電器吸合導(dǎo)通；而切出時(shí)是先將磁保持繼電器斷開(kāi)，可控硅投入，再延時(shí)過(guò)零斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零切除。
大榮公司出品的復(fù)合開(kāi)關(guān)采用單片機(jī)控制投切并智能監(jiān)控可控硅、磁保持繼電器以及輸入電源和負(fù)載的運(yùn)行狀況，從而具備完善的保護(hù)功能：
電壓故障缺相保護(hù)：系統(tǒng)電壓缺相供電時(shí)，開(kāi)關(guān)拒絕閉合；接通后若出現(xiàn)缺相則自動(dòng)退投。
電源電壓缺相保護(hù)：工作電源缺相供電時(shí)，開(kāi)關(guān)拒絕閉合；接通后若出現(xiàn)缺相則自動(dòng)退投。
自診斷故障保護(hù)：系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控可控硅、磁保持繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，若其出現(xiàn)故障，則拒絕閉合或自動(dòng)退投斷開(kāi)。
空載保護(hù)：未接負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)拒絕閉合；
停電保護(hù)：接通后遇突然停電時(shí)，自動(dòng)跳閘斷開(kāi)；
由于導(dǎo)通瞬間是由可控硅過(guò)零觸發(fā)，延時(shí)后由繼電器吸合、導(dǎo)通，而繼電器吸合導(dǎo)通就不會(huì)產(chǎn)生諧波；并且由于采用了磁保持繼電器，控制裝置只在投切動(dòng)作瞬間耗電，平時(shí)不耗電；由于磁保持繼電器的接觸電阻小，因而不發(fā)熱，這樣就不用外加散熱片或風(fēng)扇，降低了成本。*避免了可控硅的燒毀現(xiàn)象，同時(shí)也對(duì)同機(jī)運(yùn)行的其它電器不造成危害，真正達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，是一個(gè)綠色電力產(chǎn)品。
復(fù)合開(kāi)關(guān)有三相共補(bǔ)型和三相分補(bǔ)型，分相補(bǔ)償對(duì)于居民用電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償能夠發(fā)揮很大的作用。因?yàn)槟壳熬用裼秒娤M(fèi)不斷增長(zhǎng)，大量的家用電器的使用，特別家用空調(diào)機(jī)、節(jié)能的日光燈等低功率因素的單相電器的使用，使三相耗電不平衡，也就是三相負(fù)荷不對(duì)稱，造成三相所需的無(wú)功補(bǔ)償也不相同，如果還用三相共補(bǔ)型補(bǔ)償裝置，就會(huì)使某相補(bǔ)償合適而其他相過(guò)補(bǔ)或欠補(bǔ)，對(duì)電容器及整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生不利的影響，這是我們不希望的，現(xiàn)在有了三相分補(bǔ)型復(fù)合開(kāi)關(guān)，配合相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償控制器（要求有三相電壓和三相電流取樣的控制器）及“星形接法中性點(diǎn)引出”式電容器或單相電力電容器，就能將三相不對(duì)稱負(fù)荷的功率因素（或無(wú)功功率）補(bǔ)償?shù)交疽恢?，很好的解決這個(gè)問(wèn)題，這也是復(fù)合開(kāi)關(guān)的一亮點(diǎn)。
復(fù)合開(kāi)關(guān)具有本身基本不發(fā)熱及分相補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，使使用復(fù)合開(kāi)關(guān)的無(wú)功補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)可以很緊湊，使其體積能實(shí)現(xiàn)小型化，更適合于柱上型裝置和結(jié)構(gòu)非常緊湊的箱式變電站。
相對(duì)于早期的低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置
多采用功率因素作為控制物理量的傳統(tǒng)控制方式，它存在的zui大不足之處是：控制不夠，尤其在電網(wǎng)負(fù)荷較輕時(shí)，極可能發(fā)生不投則欠補(bǔ)償，投了又過(guò)補(bǔ)償這樣的投切振蕩現(xiàn)象，使電網(wǎng)處于欠補(bǔ)或過(guò)補(bǔ)狀態(tài)，不但會(huì)對(duì)電容器造成損壞，而且導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)振蕩，但由于此方式簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)，且價(jià)格較低，因此至今仍有一定的市場(chǎng)。
基于功率因素型控制器的缺陷，一種采取無(wú)功功率（無(wú)功電流）和功率因素相結(jié)合的控制方式，能根據(jù)安裝的電容器單組容量來(lái)整定投入門限，如功率因素超前即切除電容器組，真正做到缺多少，補(bǔ)多少，控制更準(zhǔn)確，補(bǔ)償更為合理，充分發(fā)揮裝置的補(bǔ)償作用。此類產(chǎn)品一般采樣三相電壓、三相電流，通過(guò)電壓波形由正趨負(fù)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，測(cè)量電流的瞬時(shí)值方式，并利用傅立葉變換，計(jì)算有功功率、無(wú)功電流（無(wú)功功率）等參數(shù)，正由于采用了傅立葉變換，此類控制器一般能檢測(cè)電網(wǎng)的2-13次諧波，計(jì)算各次電壓、電流諧波的含量及總的畸變率，所以控制器就能提供諧波保護(hù)功能。如今越來(lái)越多的電力電子產(chǎn)品的使用，控制器設(shè)置諧波保護(hù)功能有積極的作用，也是必然的趨勢(shì)，電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低壓并聯(lián)電容器裝置使用技術(shù)條件》DL/T842-2003中要求裝置應(yīng)具有電流或電壓諧波*保護(hù)功能。
居民生活用電，在以前僅僅是指照明用電，而且照明燈具基本上都是白熾燈，功率因數(shù)接近1。由于居民生活用電量很小，可以不考慮功率因數(shù)獎(jiǎng)懲。但自改革開(kāi)放以來(lái)，在照明用電上推廣熒光燈和節(jié)能燈，這些燈具的功率因數(shù)僅0.6；特別嚴(yán)重的是家用電器迅速普及，絕大多數(shù)家用電器的功率因數(shù)一般在0.7左右；只有電熱水器屬于電阻負(fù)荷，功率因數(shù)比較高。節(jié)能燈雖然可以節(jié)約有功電力和電量，但節(jié)能燈消耗了大量無(wú)功電力和無(wú)功電量，在推廣節(jié)能燈時(shí)，只講節(jié)約有功，不講多消耗無(wú)功，不采取補(bǔ)償措施是不妥當(dāng)?shù)摹Ｓ捎诰用裆钣秒娭写罅渴褂眉矣闷鳎秒娏康谋戎丶眲≡鲩L(zhǎng)，僅居民生活用電占總用電量的比重已經(jīng)達(dá)到12％，如果包括商業(yè)、賓館、寫字樓等樓宇用電，估計(jì)用電比重可達(dá)30％左右。這么大的用電量的功率因數(shù)嚴(yán)重偏低，對(duì)電力部門的經(jīng)濟(jì)發(fā)供電的影響是很大的。我國(guó)目前農(nóng)村居民的家用電器的普及率還不高，隨著農(nóng)村電氣化水平的提高，居民生活和樓宇的用電量還會(huì)有很大提高。世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家居民生活用電的比重可達(dá)30％-40％，加上樓宇用電可以超過(guò)50％，所以目前居民用電的公共網(wǎng)絡(luò)的無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕ㄔO(shè)應(yīng)該得重視。浙江大榮電氣有限公司結(jié)合以上的因素和本公司的科技成果，成功開(kāi)發(fā)研制了符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《低壓并聯(lián)電容器裝置使用技術(shù)條件》DL/T842-2003的DJ型低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，由于使用了本公司的復(fù)合開(kāi)關(guān)，使用裝置具有體積小、重量輕、工作可靠等等很多優(yōu)點(diǎn)，如果搭配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)功能，配合通訊接口它就是供電企業(yè)的降損降耗、提高供電質(zhì)量、考核臺(tái)區(qū)工作的好幫手。
關(guān)于無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償方案，在居民用電中以單相負(fù)荷為主，由于各相負(fù)載的使用時(shí)間不同，造成了三相負(fù)荷不平衡，因此采用三相共補(bǔ)的方式，極有可能會(huì)導(dǎo)致某兩相補(bǔ)償不當(dāng)?shù)默F(xiàn)象，為了解決上面的這種情況，我們的方案是采用分相補(bǔ)償或三相共補(bǔ)與分相補(bǔ)償相結(jié)合的方式，這就需要上節(jié)所討論的新型無(wú)功控制器及“星形接法中性點(diǎn)引出”式電容器，根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際情況來(lái)配置補(bǔ)償裝置的共補(bǔ)和分補(bǔ)的配比或全部采用分相補(bǔ)償，。實(shí)際使用情況表明采用共補(bǔ)與分補(bǔ)相結(jié)合的混合補(bǔ)償方式，在補(bǔ)償效果、裝置成本等方面達(dá)到較好的性能價(jià)格比。