DQZHAN訊：無功功率補償控制與選擇
本文就低壓無功自動補償裝置的產品開發等問題進行了探討。介紹無功功率補償的意義、計算、控制方式選擇等，并就經濟效益進行了初步討論。在比對中作者根據多年現場電容器投切開關的工作經驗，提出了對于合理選擇使用低壓并聯電容器投切開關的幾點建議，以供參考。
1 無功功率補償控制概述
1.1無功功率的產生和影響
在交流電力系統中，發電機在發有功功率的同時也發無功功率，它是主要的無功功率電源;運行中的輸電線路，由于線間和線對地間的電容效應也產生部分無功功率，稱為線路的充電功率，它和電壓的高低、線路的長短以及線路的結構等因素有關。電能的用戶(負荷)在需要有功功率(P)的同時還需要無功功率(Q)，其大小和負荷的功率因數有關;有功功率和無功功率在電力系統的輸電線路和變壓器中流動會產生有功功率損耗(ΔP)和無功功率損耗(ΔQ)，也會產生電壓降落(ΔU)。無功功率在輸電線、變壓器中的流動會增加有功功率損耗和無功功率損耗以及電壓降落;由于變壓器、高壓架空線路中電抗值遠遠大于電阻值，所以無功功率的損耗比有功功率的損耗大，并且引起電壓降落的主要因素是無功功率的流動。
1.2無功補償的作用
無功補償可以收到下列的效益：①提高用戶的功率因數，從而提高電工設備的利用率;②減少電力網絡的有功損耗;③合理地控制電力系統的無功功率流動，從而提高電力系統的電壓水平，改善電能質量，提高了電力系統的抗干擾能力;④在動態的無功補償裝置上，配置適當的調節器，可以改善電力系統的動態性能，提高輸電線的輸送能力和穩定性;⑤裝設靜止無功補償器(SVS)還能改善電網的電壓波形，減小諧波分量和解決負序電流問題。對電容器、電纜、電機、變壓器等，還能避免高次諧波引起的附加電能損失和局部過熱。
1.3無功補償裝置
除發電機和輸電線外的無功電源主要有：①并聯電容器組是一種靜態的無功補償裝置。用它進行的補償稱為并聯電容補償。②同步調相機;③靜止無功補償器。后兩者屬于動態的無功補償裝置。
另外，在遠方水電站和坑口火電廠等的出線母線上，長距離輸電線的兩側線路上，以及長距離輸電線的開關站等地方接有并聯電抗器，也是一種無功補償裝置。用其進行的補償稱為并聯電抗補償。遠方電站出口母線上的并聯電抗器主要是吸收發電機所發的無功功率，以使發電機能運行在合理的功率因數下而又避免無功的長距離輸送。長距輸電級上配置的并聯電抗器，主要是吸收線路空載和輕載時的充電功率，使沿線電壓分布合理并降低工頻穩態和暫態過電壓。
鑒于電力生產的特點，用戶用電功率因數的高低對發、供、用電設備的充分利用、節約電能和改善電壓質量有著重要影響。為了提高用戶的功率因數并保持其均衡，以提高供電用雙方和社會的經濟效益，特制定功率因數的標準值與功率因數調整電費。
2 補償方式的選擇
2.1 個別補償
即在用電設備附近按其本身無功功率的需要量裝設電容器組，與用電設備同時投入運行和斷開，也就是再實際中將電容器直接接在用電設備附近。
適合用于低壓網絡，優點是補償效果好，缺點是電容器利用率低。
2.2分組補償
即將電容器組分組安裝在車間配電室或變電所各分路出線上，它可與工廠部分負荷的變動同時投入或切除，也就是再實際中將電容器分別安裝在各車間配電盤的母線上。
優點是電容器利用率較高且補償效果也較理想(比較折中)。
2.3集中補償
即把電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側的母線上。在實際中會將電容器接在變電所的高壓或低壓母線上，電容器組的容量按配電所的總無功負荷來選擇。
優點：是電容器利用率高，能減少電網和用戶變壓器及供電線路的無功負荷。
缺點：不能減少用戶內部配電網絡的無功負荷。實際中上述方法可同時使用。對較大容量機組進行就地無功補償。
3 控制方式的選擇
3.1個別補償的控制方式
3.1.1 啟動不頻繁的設備
啟動不頻繁的設備可選擇空氣自動開關、熔斷器作為保護設備
3.1.2啟動較頻繁的設備
啟動較頻繁的設備可選擇FKA系列智能復合開關(投切間隔時間大于30s)、TSC動態投切開關。
3.2分組補償、集中補償的電力電容器柜
裝置中使用了交流接觸器、投切專用交流接觸器、可控硅功率模塊、固態繼電器、復合固態繼電器等作為并聯電容器的投切開關，由于并聯電容器的投切開關對裝置的性能具有決定性的影響，因而合理的選擇投切開關就顯得十分重要。
3.2.1交流接觸器和投切專用交流接觸器
交流接觸器是傳統的低壓補償并聯電容器的投切開關，優點是成本低、控制簡單、使用方便，缺點是投切時會產生較大的涌流和過電壓，其大小與感性負載的大小(如變壓器的短路容量)、阻抗、電容器的容量，交流接觸器的性能有關。切除時易產生電弧，觸點易于燒毀、壽命較短，不適用于頻繁投切的場合。
電容器投切專用交流接觸器是為了減輕涌流對交流接觸器的影響而設計的，其與普通交流接觸器的不同之處是將普通接觸器觸點加以改善，配上抑制投切電流的電阻，采用并聯開關分步投切的方法，先合上帶電阻的開關再合上不帶電阻的開關來減少投切過程中產生的涌流和過電壓。由于其只能降低投切過程中產生的涌流和過電壓，并不能從根本上解決問題，在電容器容量相對較大時，仍然會產生很大的涌流，因而其應用仍然受到一定的限制。
由于上述兩種交流接觸器在應用于低壓并聯電容器投切時存在著不可克服的涌流問題和觸點的燒蝕問題，對電容器和裝置的壽命有較大的影響，所以其在電容器投切領域的應用越來越少，正逐步被功率電子開關所替代。但由于其價格低廉，在某些技術要求較低、電網波形畸變嚴重不適于應用電力電子開關的場合仍有使用，需安排人巡查、定時更換。
3.2.2 可控硅開關、固態繼電器
反并聯可控硅開關加上具有過零檢測功能的驅動電路，即成為一個典型的具有“零壓差”投入，零電流退出功能的電力電子投切開關，具有較高的dV/dt和dI/dt承受能力，可有效的抑制電容器投入時的浪涌電流和過電壓的產生及退出時的拉弧電流。常規的做法是將反并聯的可控硅模塊外部配裝專用的觸發線路板。
投切專用的固態繼電器是將上述開關的反并聯的可控硅模塊及外部配裝專用的觸發線路板的全部器件以固態繼電器的標準封裝形式封裝在一個殼體內，內置阻容吸收，故結構緊湊，綜合成本較低，外形上有方型或長條型以適合不同用戶的聯接需要。具有體積小、耐蝕防潮、安裝使用方便等特點，是目前可控硅開關的常用封裝形式。
上述兩種電力電子投切開關的工作原理完全相同，都是以具有零檢測功能的觸發電路控制反并聯的可控硅無觸點開關。優點是投切電容器時“零壓差"投入、零電流切除，實現無涌流或小涌流投切，提高了電容器壽命，無觸點無拉弧，開關速度高、反應時間快，干擾小、體積小、耐腐蝕，壽命長、可靠性高，易于與計算機接口、適用于智能型無功控制器或配電綜測儀對電網進行動態無功補償和遠程控制。另外可方便地實現單相分相補償或三相共補。缺點是工作**耗較大，使用時需加裝散熱器，成本也比適用交流接觸器高許多。但由于其性能優越，應用者眾多。
3.2.3復合投切開關、復合固態繼電器
交流接觸器投切開關壓降小、發熱少，但涌流大、壽命短，電力電子投切開關涌流小、壽命長，但壓降高、功耗大、需要散熱，各有優缺點。能否整合它們的優點，優勢互補，制造出具有“零壓差”投入、零電流切除、低壓降保持特性的投切開關，科技人員采用電力電子開關負責控制電容器的投入和切除，交流接觸器負責保持電容器投入后的接通的方法制造出了復合投切開關。這種投切開關同時具備了交流接觸器和電力電子投切開關的優點，不但抑制了涌流，避免了拉弧，而且功耗較低，不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風扇。尤其是復合固態繼電器將復合投切開關集成一體，體積小、重量輕、性能優良，是低壓無功自動補償裝置中并聯補償電容器的理想投切開關。
4補償容量測量與計算
4.1測量方法
采用雙鉗相位表測量(以單相為例)A相電流、電壓值以及電流電壓角，譬如電流53A、電壓224V、電壓超前45°，則：
總功率S=I*U=53*224=11.87(kW)
有功功率P=I*U*COSΦ=53*224*COS45°=8.393(kW)
無功功率Q=I*U*SINΦ=53*224*SIN45°=8.393 (kva)
若將功率因數由目前的0.707分別提高到0.9和1需要并聯多少千乏電容器， Q1=P*SINΦ/ COSΦ=8.393*0.43/.09=4.06(kva)
ΔQ=8.393-4.06=4.333(kva)
故：提高到0.9和1需要并聯4.333和8.393千乏電容器，由上式可知功率因數由0.707提高到0.9需要4.333千乏功率因數由0.9提高到1需要4.06千乏。這說明功率因數由低提高到高投入容量較小，而由較高水平提高到更高則投入容量大。所以，要合理選擇功率因數提高的水平。
4.2 根據電度表及負荷工作時間計算方法
已知：某工廠有功功率月耗電量15000kWh，月平均功率因數為0.65，30天日平均負荷工作時間為6小時。欲把功率因數提高到0.95，需配多大容量電容器。
平均有功功率P=15000/30*6=83.33kW
無功功率Q=P*tgφ=83.33*1.169=97.42(kav)
功率因數提高到0.95時，S=P/COSφ=83.33/0.95=87.72KVA
Q=S*SINφ=87.72*0.31=27.2(kva)
故補償電容量ΔQ=97.42-27.2=70.22(kva)
5 無功補償投資與經濟效益
以上述為例，選擇20kva，380V，50Hz電容器6只(每千乏10元)，控制器一只(約700元)，FKA系列智能復合開關6只(每只300元)，控制屏一個(約1200元)，共計4900元，每月無功功率調整電費15000*0.6*0.15=1350(元)
投資回收期(月)=4900/1350=4(月)
一般來說無功補償投資回收期應小于2年為宜。
結語
隨著電力電子技術的迅猛發展，造價低廉，控制精度高，穩定性好的可控硅開關、固態繼電器、復合固態繼電器將不斷面世，為無功功率補償的應用提供了更好的前景。大力推廣無功功率補償技術必將為企業帶來良好的經濟效益和創建節約型社會做出貢獻。
