低壓配電系統純電容器組無功補償裝置的改進策略-

6.1現代電力無功智能控制

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低壓配電系統純電容器組無功補償裝置的改進策略

梁有偉¹, 莊志鴻²

(1.深圳市水務(集團)有限公司，廣東深圳518031； 2.諾企電容器(上海)有限公司，上海200050)

摘要：針對低壓配電系統中純電容器組無功補償存在的并聯諧振與諧波放大問題，本文選用并聯電容器串聯電抗器的改進方案，并給出有關元器件和輔材選型策略。通過某城市污水處理廠無功補償改造案例的實施，結果表明，所采取的措施是行之有效的。

關鍵詞：并聯電容器；并聯諧振；串聯電抗器；諧波

0 引言

并聯電容器是配電網中重要的無功補償設備，其具有提高電網功率因數，減少線路損耗,提高電壓質量，提升電網設備效率等優點，在配電網中得到廣泛應用。

然而，在工礦企業低壓配電系統中，采用純電容器組進行無功補償時，時常發生電容器過熱、過電壓、局部放電等現象，從而降低電容器使用壽命或使電容器損壞，如爆炸、鼓肚等。甚至有些并聯電容器補償裝置因不能消除系統諧波的干擾，出現諧波電流放大、并串聯諧振等現象，導致補償裝置無法正常投入運行、系統電能質量不佳、功率因數不達標等問題。

1 純電容器組補償面臨的風險

電力系統中的主要諧波源為電流源。圖1為0.4 kV配電系統簡化電路圖及其諧波等效電路圖。

圖1 簡化電路及其諧波等效電路圖

通常系統電阻遠小于電抗，為方便分析與計算，忽略系統電阻。圖中I_n為n次恒流諧波源；I_sn為注人系統的諧波電流；I_c_n為注人并聯電容器的諧波電流；x_s為系統等效電抗；nx_s為n次諧波電抗；x_c為并聯電容器基波容抗；為x_c/n次諧波容抗，則

由式（1)、（2)可知，當nx_s=x_c/n時，n=x_c_/x_s

2 純電容器組無功補償裝置的改進策略

純電容器組補償存在的風險，其改進措施諸多文獻進行了研究，如改變用電設備、補償支路加裝無源濾波器、補償回路加裝有源濾波器等。本文從安全經濟可靠出發，選用并聯電容器支路加電抗器的方案，并給出有關元器件及輔材的選型策略。

2.1 補償支路串入電抗器

并聯電容器串接電抗器后，使補償支路在高次諧波頻率下呈感性，可有效地避開系統諧振次諧波，防止系統發生諧波諧振。設xL為串聯電抗器的基波電抗，串聯電抗器后諧波等效電路見圖2。

圖2 串接電抗器的諧波等效電路

在某次諧波電流的情況下，補償支路的阻抗值為nxL-xc/n，變為

顯然，補償支路與系統并聯諧振發生在nx_s+(nx-x_c/n)=0時，諧振點諧波次數為n=xc/(xs+xL。因此，可通過串人電抗器的電感量的大小控制諧振點位置，盡量避開諧波源中所包含的諧波。

2.2 電抗率選擇

電抗率K是串聯電抗器的感抗與電容器容抗的比值。選用合適的電抗率，應該首先了解電容器接人處系統存在的背景諧波，這樣才能使電容器與之串聯的電抗器相匹配。根據相關設計規范及文獻的描述，補償電容器接人處的背景諧波為3次，含量已超過或接近標準時，選用12%的串聯電抗器。補償電容器接人處的背景諧波為3次為主，并含有5次以上諧波，但含量較少，選用0.1%?1% 的電抗器。補償電容器接人處的背景諧波以3次和5次為主，但3次諧波含量較少，而5次諧波含量已超過或接近標準值，選用5%?6%的電抗器。補償電容器接人處的背景諧波為5次及以上時，而且5次諧波含量較大，選用6%的串聯電抗器。

2.3 電容器電壓與容量的選取

由電路原理可知，電容器輸出的無功功率與其端電壓的平方成正比，即Q=ωCU²。當運行電壓高于電容器的額定電壓時，將導致電容器過載；而電容器的額定電壓高于運行電壓時，將導致無功補償容量不足。因此，需要合理選擇電容器額定電壓。—般按式（5）確定電容器的實際電壓U_N。

式中：U_sys為系統母線運行電壓；k為電抗率。

串聯電抗器后，電容器實際運行電壓升高。

電容器銘牌標識的是額定容量Q_N，而非實際輸出容量。電容器實際輸出容量Q_out為

由式(6)可知，確定單臺電容器的容量時，要考慮電容器額定電壓U_N、系統運行電壓U_sys、電抗率k等因素，確保無功補償容量經濟可靠，滿足要求。

一般設計時，系統無功補償容量按照變壓器容量的30%?50%來設定。在選擇時，應遵循減少無功補償分段數量，加大單段補償容量的原則。

2.4 投切器件的選擇

無功補償裝置投切開關主要有專用接觸器、晶閘管開關、復合開關和同步開關等，其特點見表1。

表1 投切器件特點比較表

4種投切開關在應用上各有優劣。接觸器投切速度慢，損耗低，投資維護成本低，適用于負荷相對穩定的場合。晶閘管開關結構復雜、損耗大、成本高、可靠性差，能實現過零投切、動作迅速，多用于動態補償的場合。復合開關使用可控硅加繼電器，結構復雜，故障率較高。同步開關安全可靠、節能環保、經濟耐用，是交流接觸器及復合開關理想的換代產品。因此，選用投切開關應結合負荷工況、投資成本等因素綜合考慮。

2.5 其他輔件的選擇

電容器允許持續過電流能力為額定電流的1.3倍，允許持續過電壓能力為額定電壓1.1倍，電容允許偏差為-5%～+10%。補償支路熔絲應選擇全范圍分斷能力的gG型熔斷器，交流接觸器選擇AC-6b負荷類型。熔斷體及交流接觸器的容量選擇應以電容器輸出電流的1.43倍為基準。主電路母線或導線應滿足額定工作電流運行和瞬時故障電流,電容器支路的導線不小于該段額定電流的1.5倍。

3 案例分析

3.1 案例背景

某城市污水處理廠鼓風機房低壓配電系統主要負載為風機(含變頻器）、回流泵、攪拌器和吊車等，系統見圖3。

圖3 某污水廠低壓配電系統圖

系統裝設有純電容器組無功補償裝置，單臺并聯電容器額定電壓480V，額定容量30kvar,分為6組，最大補償容量為180kvar。該無功補償裝置運行6年以來，發生過電容器漏油、鼓肚等現象。在系統負載率為80%的工況下，分別測量電容器補償未投人和6組電容器全部投人運行時,0.4kV母線的諧波電流見表2。

分析表2數據可知：

1) 系統以5次諧波電流為主：

2) 純電容器組補償投入后，母線電流中7次、11次和13次諧波均被明顯放大，諧波電流總畸變率由未投人補償時的1.24%升高至4.05%。

3) 補償后系統功率因數為0.74,未能達到0.90以上的考核標準要求。

顯然，該無功補償裝置補償后功率因數仍低于要求值，系統諧波電流也被嚴重放大。因此，需要進行優化改造。

表2 母線諧波電流

3.2 改造方案與結果

針對上述的情況，并結合前文提出的策略，提出如下的改造方案:

1）補償支路選用電容器串聯電抗器的方法，抑制諧波放大。由于系統諧波電流以5次為主，電抗率選用6%以避免5次以上諧波發生諧振。

2）原補償總容量無法滿足系統的無功需求，需重新配置合理的補償容量。依據案例背景的描述，通過計算，負荷率為100%時的有功功率為271kW，目標功率因數為0.95時，所需的補償容量為219kvar。方案選擇配置4組電容串聯電抗器組，單臺電容器的額定電壓/容量為480V/80kvar,由式(6)計算得知，單組電容電抗器組的輸出無功功率為59kvar, 4組總輸出容量為236kvar。

3）配置全范圍分斷能力的gG型熔絲開關，選用AC-6b負荷類型交流接觸器，并合理選擇電纜規格等：

4）考慮到在原有配電柜內進行改造，合理布局通風散熱通道以延長電容器使用壽命。

改造后，在系統負載率為80%工況下，有3組電容器投人運行，測量結果見表3。

分析表3的數據可知：

1) 諧波電壓總畸變率(VTHD)由1.39%降低到 0.85%，諧波電流總畸變率(ITHD)由4.05%降低到 3.54%。

2) 系統功率因數由原未達標的0.74提高至0.97，滿足了系統無功需求。

3) 5次諧波電壓下降，表示串聯6%電抗器起到抑制5次諧波的效果。

4) 7、11和13次諧波電流的放大得到了有效抑制。

5) 采用電容器串聯電抗器的無功補償方案，達到了良好的效果，有利于無功補償裝置安全可靠運行。

表3 改造前、后補償裝置投入時系統測試數據

4 結語

低壓配電系統中，采用純電容器組進行無功補償，存在的諧振和諧波電流放大的風險將影響設備正常運行。補償支路選用合適電抗率的串聯電抗器的補償方案，輔以適當的電容器額定電壓、額定容量以及投切開關，將有利于無功補償裝置安全、經濟、穩定運行。