無功補償、諧波治理方案及元器件的選取

    一、 前言 

    隨著國民經濟的快速發展和持續增長，電力建設更是取得了令人矚目的成就，到2004年底，我國電站裝機容量已達到4.4億kW，年發電量達21870億 kW/h，同比增長14.8%。但是電力需求的增長更是迅速，電力供需矛盾日益突出，去年用電高峰時期全國就有24個省、區控閘限電，同時由于電力設施長期超負荷運行，也出現了不少事故，給國家和人民財產造成了很大的損失。 

    電力供應的嚴重不足已制約了國民經濟發展的速度。而要緩解當前乃至今后一個時期電力供需之間的矛盾，并從根本上解決問題，除了國家及地方加大對電力建設的投資力度、增加發電量這一主渠道外，節約用電、合理用電----采用各種節電措施，最大限度地利用現有各種電力設施資源也是一種切實可行的措施之一。 

    眾所周知，利用無功功率補償技術來挖掘現有電力資源潛力，是一種能夠迅速見效的措施。也就是要開源與節流并舉。 

    以下就無功功率補償、諧波治理技術應用中的相關問題作簡要的闡述。 

    二、 無功功率補償技術應用方案的確定 

    1、 無功功率補償的概念 

    無功功率和有功功率一樣是輸配電網中不可缺少的組成部分，無功功率的存在對供電系統和負載系統的正常運行是十分重要的。由于電網中存在大量的感性負載，所以就需要供電部門提供足夠的無功功率。如果這些無功功率都有發電機（廠）發出并通過長距離的輸電線路傳送到所需的地方，這顯然是不合理、不經濟的，實際上也是不可能的。而合理的也是最有效的方法就是在需要無功功率的地方或附近產生（或發出）無功功率，即無功功率補償。 

    2、 無功功率補償的作用 

    2.1、由于無功功率的存在，對電網也會帶來不利的影響，主要表現在以下方面： 

    （1） 無功功率的增加，導致電流的增大和視在功率的增加，從而使發電機、變壓器、起動及控制設備和導線等電氣設備容量的增加。 

    （2） 供電設備及線路損耗增加。 

    （3） 變壓器及線路的電壓降增大，使供電網電壓產生波動，在電網中，有功功率的波動一般對電網電壓的影響較小，電網電壓的波動主要是無功功率的波動引起的，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電網產生劇烈的波動。 

    2.2、無功功率補償的作用就是要盡量減少無功功率對電網的影響。其作用主要有： 

    （1） 提高供電系統及負載的功率因數，降低輸電線路及用電設備的容量和負荷，減少功率消耗。 

    （2） 穩定用電端及電網的電壓，提高供電質量，增加輸電系統的穩定性，提高輸電能力。 

    （3） 平衡三相負荷，減少無功功率對電網的沖擊。 

    3、 無功功率補償的方法 

    隨著電力電子控制技術和計算機應用技術的逐步成熟，用于無功功率補償的方法日益增多，且補償效果也越來越明顯，其帶來的經濟效益和社會效益也是巨大的。 

    （1） 同步調相機 

    同步調相機是早期的無功功率補償方法，已實際應用數十年，在電壓和無功功率控制中發揮了非常重要的作用，同步調相機不僅能補償固定的無功功率，對變化的無功功率也能進行動態的連續的補償，而且對于容性、感性無功功率均能起到補償的作用。但由于其自身的諸多缺點，使其應用越來越少，目前已基本上遭淘汰，被新的補償方式所取代。 

    （2） 并聯電容器及其裝置 

    在各種無功功率補償方法中，并聯電容器由于其簡單的結構，方便、靈活的安裝方法，較低的運行費用和低廉的產品價格等方面的特點，已使其成為當今無功功率補償技術中使用的主導產品。尤其是隨著電容器制造技術的日益成熟，其質量水平、壽命等級、安全運行可靠性等指標得以大大提高；品種、規格也越來越齊全，為補償裝置的設計和制做帶來了極大的便利。故由其為主體制做的各種電容器補償和濾波成套裝置的應用領域也越來越廣泛。已逐步取代了傳統的同步調相機。 

    但是并聯電容器也有其不足之處：例如，只能分級補償固定的無功功率（其補償精度決定于電容器組的分組數和單臺電容器的電容量），而不能實現連續、線性的補償。另外，在系統中存在諧波時，還可能與系統中的固有電感產生并聯諧振，使諧波電流放大（可達額定電流的幾倍甚至幾十倍），導致電容器及相關元器件和線路嚴重過載而燒毀。 

    4. 補償方案的確定 

    根據實際供用電系統的無功功率需求情況，決定采取并聯電容器進行無功功率補償時，要對所采用裝置的類型及解決方案進行設計、確認。在確定最終方案時需要考慮多方面的影響因素，還要吸取現有各種裝置運行的經驗和教訓。 

    4.1 在有條件的情況下或必需時，要對擬補償系統的電能質量進行測試，分析和評估。這項工作需用專用的測試儀器和有專業技術人員來完成，這一點是很重要的。對于一個完整，切實可行并有效的解決方案以及整套裝置的設計和制作可以說是不可缺少的環節。而在以前大多數的補償裝置在設計制作之前都沒有認真進行此項工作，或者說有不少的生產單位根本就沒有技術和能力進行此項工作，而是僅憑以往的經驗或借鑒同行廠的經驗。這是現行在運行的大多數無功功率補償裝置補償效果不理想，達不到設計的功能，而且經常出現故障，乃至火災事故的原因之一。另外，在裝置設計時，所選元器件的質量以及各種元器件之間參數的匹配是否合理或組裝工藝等也是很重要的原因。 

    4.2 補償裝置是否需要進行諧波治理（抑制或吸收） 

    隨著各種新型電子設備（裝置）的安裝使用，在大量消耗無功功率的同時還會產生大量的諧波，對公用電網造成了很大的“污染”。由于諧波的產生和存在，已對電網的安全運行和用電設備的安全帶來很大的危害，而由于諧波原因造成的電力事故和損失也是有目共睹的，現已引起人們越來越多的關注。 

    4.3 補償裝置是否需要進行動態控制 

    因需要進行無功功率補償的位置不同，要達到的預期目標有所區別，而負載的性質也不一樣，同時也要從經濟角度去考慮，所以要從實際情況出發對各種方案進行綜合的評定，從中選擇出合理的方案來。 

    4.3.1 當需要無功功率補償位置的供電質量較好，負載的無功功率變化不大，系統中諧波含量較少，三相電壓/電流比較平衡時，可考慮采用相對固定的控制方法（固定分組、循環投切）。 

    4.3.2 而對于負載無功功率變化較快而且頻繁的場合，則需要進行動態控制(非固定分組、快速編碼投切)。 

    4.3.3 對于單臺的大功率平衡性負載，則可考慮固定的就地補償。 

    5 . 補償裝置的補償方式 

    補償裝置工作時的方式可分為：（1）三相共補；（2）三相分補；（3）共補分補相結合；（4）三相不平衡補償等幾種，具體采用何種方式，要根據實際情況而定。 

    5.1 當三相電壓/電流基本平衡時，采用共補或分補的補償方式。 
5.2 當三相電壓/電流輕微不平衡時，采用共補、分補相結合的補償方式。 
5.3 當三相電壓/電流相重不平衡時，采用三相不平衡的補償方式。 

    三、 元器件的選取 

    最終方案確定后，就要對制作裝置所需元器件進行功能、質量、價格等方面的分析和選取。此項工作對制作一套性能優良，運行安全可靠的裝置來講是至關重要的，是不能忽視的一個環節。因為同類元器件的生產廠家不計其數，功能不盡相同，價格也有很大的差別，而產品質量或壽命之間的差異就更大了。 

    所以，當面對五花八門的同類產品時，有關人員就不知如何選擇了，再由于所掌握的資料不全，更有甚者只關注產品的價格因素，而忽略了質量水平、性能指標，以及產品功能等內在的因素，故往往不能選擇到最合適的元器件，甚至錯誤地選擇了不符合使用功能要求的元器件，為裝置的安全運行埋下了隱患。 

    1. 控制器的選取 

    控制器是無功功率補償裝置中很重要的器件，它的質量優劣、功能設置，抗干擾能力等指標，決定了整套裝置運行的質量水平。 

    目前市場上控制器的品種很多，型號不統一，功能、價格的差別是很大的，要在眾多品牌的控制器中選擇一種合適的，首先要結合裝置的具體情況從控制器所具有的各種功能以及控制物理量等方面來考慮，同時也要關注價格因素，關于控制器的型號及控制物理量在有關行業標準DL/T597-1996中已有明確規定，多數企業的產品是按此標準來命名的，也有部分企業的產品是按自己的企業標準來命名的。無論產品型號如何命名，關鍵是要視其基本功能和具體裝置的配置方案來選取，否則不是功能過剩（采購成本提高）就是功能不夠而影響使用效果。 

    關于控制器如何選擇，在有關標準DL/T842-2003中有相關的闡述。自動控制投切物理量可優先選擇下列方式：（1）無功功率控制，功率因數限制；（2）無功電流控制，功率因數限制；（3）無功功率或無功電流控制，電壓限制。 

    另外，經對已投入運行的補償裝置中控制器使用情況的調查發現：凡是低價格的控制器，幾乎都把功率因數作為控制物理量。在使用此類型控制器的裝置中，能夠正常運行的比例很小，故障率很高，有的已棄之不用而改用手動控制。在此提請有關人員關注。 

    2. 投切器的選取 

    對于無功功率補償裝置來說，選擇何種電容器投切執行機構，對整套裝置的安全運行是至關重要的，目前用于電容器投切的執行元件有多種，歸納起來主要有： 

    (1) 普通接觸器 

    此種產品屬早期的方案，目前已基本淘汰不用。 

    (2) 電容器專用接觸器 

    此種產品是在普通接觸器的基礎上增加限流電阻成限流線圈（小電抗）的方案來限制合閘漏流的。由于此產品安裝接線方便、價格低廉，是目前市場上的主導產品。 

    (3) 無觸點電子開關 

    此種產品是由晶閘管以及過零觸發電路組成的投切器。隨著動態無功功率補償裝置的推廣應用，同時晶閘管模塊的價格也大幅度下降，使得該種投切器應用量正逐步增加。 

    (4) 機電一體化復合開關 

    此種產品是近年來發展起來的一種電容器投切器，有分體組合式和一體化兩種結構形式，其投切原理是一樣的，由于該產品的獨特性能，發展很快，大有取代電容器專用接觸器的趨勢。 

    3. 并聯電容器的選取 

    并聯電容器是無功功率補償裝置的主體，其運行質量的好壞，將直接影響整套裝置的使用效果和壽命，要選擇一種優質的電容器應從以下幾個方面考慮： 

    (1) 電容器額定電壓的確定 

    由于并聯電容器需要長期、全額在電網中工作，電容器的實際工作電壓與其使用壽命有直接的關系。所以，確定電容器的額定電壓是非常重要的，電容器額定電壓的選取由下列因素決定：a、供電網的電壓水平；b、諧波背景，當電容器在含有諧波的環境下工作時，諧波電壓將疊加到電容器的基波電壓上，會使電容器的實際工作電壓升高（Uc=U+∑Un）；C、是否加裝串聯電抗器，為限制投切電容器時的合閘涌流；為抑制諧波避免諧振或為消除（吸收）諧波，都需要在電容器支路中串聯電抗器，由電工學原理可知，當電容器與電抗器組成串聯回路再接入電網時，電容器兩端的電壓將高于電網電壓，其升高幅度由所串聯電抗器的電抗率（P）來決定：Uc=U/（1--P）. 
綜合以上因素，筆者認為在低壓0.4kV電網中（變壓器實際輸出電壓會高于0.4kV）設置的無功功率補償裝置中安裝電容器的額定電壓等級在一般情況下應選擇0.45kV系列的產品，而用于諧波抑制或濾波裝置中的電容器的額定電壓應選擇0.48kV或 0.525kV系列的產品。 

    (2) 電容器溫度等級的確定 

    電容器工作時其周圍的溫度(略高于環境溫度)，對電容器使用壽命的影響是很大的，因為，根據絕緣材料的理論，當環境溫度每升高7-10℃，其壽命將縮短一半。但由于溫度對電容器壽命的影響是緩慢的，所以經常被忽視。 

    在電容器產品國家及行業標準中僅列出A、B、C、D四個溫度等級，而實際應用中，有許多場合的環境溫度已高于D級（+55℃）。這就要求設計人員在選擇電容器時與相關制造廠進行溝通，要求提供更高溫度等級的產品。 

    （3）電容器電容量及連部連接方式和結構的確定 

    當補償裝置的總容量及投切方式和組數確定后，還需對單臺電容器的電容量、外形結構尺寸、安裝方式（垂直、水平）、以及內部連接形式（Δ、Y、Yn、Ⅲ）和填充料種類（干式、油漬式）等參數進行選擇。 

    并聯電容器輸出的無功功率與其工作電壓的平方成正比，當實際工作電壓與額定電壓不一致時，其實際輸出的無功功率與其額定值是不相等的，實際無功功率可用下式表述：Qc=（Uc/Un）2.Qn 

    由于采用補償方式不同，需要電容器內部連接的方式有所不同，根據需要，電容器內部可接成Δ、Y、Yn、Ⅲ等形式。而由于裝置安裝位置的安全等級要求，電容器需要干式、無油化的。有時還會因為柜體尺寸的限制，需要電容器的體積要小型化，且能夠進行水平方向安裝。 
圓柱形金屬（鋁）外殼電容器能夠極大限度地滿足以上要求，已經越來越多地被多種成套裝置所選用，尤其是在大容量（比如補償容量大于300kvar）的補償柜中及小體積就地補償柜中，則是唯一選擇。此種電容器因其具有諸多的優點，而被越來越多的人們所認識和接受，不久將會逐步取代傳統結構的電容器而成為無功功率補償領域的主要產品。 

    4. 串聯電抗器的選取 

    隨著電網污染程度的加重，為保證補償裝置安全可靠的運行，需要加裝串聯電抗器以抑制或濾除諧波，同時也限制了電容器投切時產生的涌流。 
電抗器與電容器組成串聯回路后，也需要長期承受不斷增加的負荷，如果電抗器的質量不好，就會在運行中過度發熱，尤其是工作在諧波環境下的電抗器發熱將更加嚴重，導致發生火災事故。 

    對于電抗器的質量對補償裝置安全運行的影響，現在許多人的認識是不夠的，尤其是在低壓電網系統中。另外，由于電抗器的價格較高，在選用時經常會選擇體積較小，價格便宜的產品，而往往不是最佳方案。從物理學角度來講，要保證電抗器長期安全可靠地運行，足夠的導線截面積和繞組的設計選取是基本的前提。 

    電抗器的電感值是要經過嚴格計算并經修正后確定的，其電抗率也是要加以控制的，不能隨意選取，否則不但達不到預期的效果，反而會帶來危害（可能產生諧振而引起諧波電流放大）。 

    5. 保護元件的選取 

    對于一套優質的補償裝置，除在額定的工作條件下安全運行外，還要保證在外部系統異常或故障時，能夠自行保護，這就要求裝置具有良好的保護系統。這一點，在實際應用中是非常重要的，一定要引起足夠的重視。 

    在裝置中起保護作用的元件主要有：控制器內部的各種保護功能，熔斷器，熱繼電器，斷路器，溫控開關，排風扇，放電電阻（線圈），RC吸收組件，散熱器等。各種保護元件規格的選用，要經過嚴格的設計、計算，慎重選取，過大、過小都是不合理的。若選取不當，不但起不到保護作用，反會帶來危害。 

    四 結束語 

    無功功率補償，諧波治理技術是當前乃至今后相當長的時期內，緩解電力供需矛盾，改善供電質量的一種行之有效的手段之一，經廣泛推廣應用后，能為國家和用戶帶來巨大的經濟效益和良好的社會效益。愿越來越多的相關企業和致力于我國節能產品的有志之士，共同來投入到這一偉大的事業中來，為國民經濟的發展，社會的進步，做出應有的貢獻。 

    
    作者簡介：
    
    李軍 1960年--- 高級工程師，長期從事電容器制造工藝技術和無功補償，諧波治理應用方案的研究。 

    參考資料： 

    1) 各類元件生產企業產品目錄及使用說明書 

    2) 電力電子設備設計和應用手冊 機械工業出版社