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淺談智能低壓電容器在無功補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用

更新時間：2020-10-09

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霍麗麗

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定201801

摘要：介紹了一種基于智能電容器的新式無功補(bǔ)償系統(tǒng)在工程項(xiàng)目中的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)和功能上對該智能電力電容器模塊進(jìn)行了剖析，并與具體項(xiàng)目相結(jié)合，描繪了低壓無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：低壓無功補(bǔ)償智能電容器模塊化應(yīng)用

0 引言

近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等的快速進(jìn)步，低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償正快速地向過零投切、智能化、模塊化方向發(fā)展，產(chǎn)品的質(zhì)量和性能有了大幅度提高，功能也日趨多元化。

傳統(tǒng)低壓無功補(bǔ)償系統(tǒng)由1只控制器、若干組電容器和投切開關(guān)雜、可維護(hù)性差、各元件間單一連接，無法實(shí)現(xiàn)整機(jī)的自我診斷以及每組電容器電流及溫度的保護(hù)，給運(yùn)維以及一些保護(hù)部件在低壓電氣柜內(nèi)組合而成口，整柜元件多、體積大、安裝接線復(fù)工作造成了不便。為此，在某音樂噴泉項(xiàng)目的無功補(bǔ)償系統(tǒng)中，引入了模塊化、智能化的理念，并采用智能電容器模塊作為補(bǔ)償主體。智能電容器是把1組電容器本體、過零投切開關(guān)、保護(hù)部件等通過智能測控單元有機(jī)的結(jié)合，組成補(bǔ)償模塊。模塊自身、模塊間、模塊與控制器均可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)通信，即插即用。各臺模塊通過通信方式結(jié)合成一個整體，工作時相互關(guān)聯(lián)，故障時互不干擾，做到了智能控制。

1 智能電容器模塊的電氣結(jié)構(gòu)與原理

如圖1、圖2所示，智能電容器模塊由智能測控單元、晶閘管復(fù)合開關(guān)電路、線路保護(hù)單元、2臺△型（三相補(bǔ)償）或1臺Y型（分相補(bǔ)償）低壓電力電容器構(gòu)成，它們各自獨(dú)立工作又互相關(guān)聯(lián)。

（1）智能測控單元。智能測控單元以工業(yè)級DSP為核心，同AD轉(zhuǎn)換、CAN-BUS通信、LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲等構(gòu)成一個系統(tǒng)，集釆樣、運(yùn)算、分析、控制、通信、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲于一體，與其它部件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而有效地協(xié)調(diào)整個智能電容的工作。同時，智能測控單元還集成了外部通信功能，可以把本機(jī)的運(yùn)行工況和測量數(shù)據(jù)通過RS-485接口與外部設(shè)備通信以及與其它智能電容器、控制器或后臺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，做到了透明化、智能化和模塊化。

圖1三相補(bǔ)償式智能電容器模塊電氣原理圖

圖2分相補(bǔ)償式智能電容器模塊電氣原理圖

（2）可控硅復(fù)合開關(guān)電路。晶閘管復(fù)合開關(guān)電路包含了可控硅過零檢測與觸發(fā)模塊、可控硅保護(hù)模塊、磁保持繼電器驅(qū)動模塊及開關(guān)故障檢測模塊。電路采用電力電子可控硅與大功率磁保持繼電器復(fù)合技術(shù)，利用可控硅的快速導(dǎo)通和磁保持繼電器觸點(diǎn)的零壓降實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，做到過零投切和低功耗運(yùn)行。合閘時，該電路可實(shí)時檢測可控硅開關(guān)兩端（即電力電容器與電網(wǎng)）的電壓差，當(dāng)電壓差基本為0（相差小于3V）時，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，無沖擊涌流，做到柔性投入；之后，磁保持繼電器吸合，短路可控硅的兩端電，通過繼電器觸點(diǎn)接通主回路，降低開關(guān)壓降；同時繼電器觸點(diǎn)通過永磁元件定位保持進(jìn)一步降低功耗。分閘時反之。

（3）線路保護(hù)單元。線路保護(hù)單元由空氣開關(guān)、快速熔斷器及電流檢測回路組成。此單元旨在保護(hù)智能電容器整機(jī)，當(dāng)智能電容器發(fā)生過負(fù)荷、三相不平衡或內(nèi)部短路等故障時，線路保護(hù)單元實(shí)時跳閘，以保護(hù)電網(wǎng)不受影響。

（4）電力電容器。電力電容器采用干式自愈式金屬化薄膜電容器，使用高溫薄膜卷繞、環(huán)氧樹脂材料灌封，罐內(nèi)填充氮?dú)饣蝌问O(shè)置防爆裝置，無泄漏；內(nèi)置溫度傳感器，把電容器的實(shí)時溫度信號傳送至智能測控單元，用作過溫保護(hù)判據(jù)。

2 智能電容器的應(yīng)用研究

智能電容器模塊有三相補(bǔ)償和分相補(bǔ)償兩個系列，可按8：4：2：1的容量配比原則分為不同容量等級的多種模塊。三相補(bǔ)償模塊內(nèi)部設(shè)有2組△型電力電容器和2組投切開關(guān)，可單獨(dú)投切，提高了補(bǔ)償精度；分相補(bǔ)償模塊內(nèi)部有3只單相電力電容器，釆用Y型連接，并接到零線，并通過3只獨(dú)立的可控硅復(fù)合開關(guān)電路與電網(wǎng)三相相連，可做到每相單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償功能。

由于智能電容器具備完整的測量、分析、控制、保護(hù)等功能，同時具有和傳統(tǒng)補(bǔ)償類似的控制器、投切開關(guān)、電力電容器等部件，因此，它可以單獨(dú)接入電流取樣信號進(jìn)行無功補(bǔ)償。若單臺補(bǔ)償容量不夠時，可釆用多臺并聯(lián)來擴(kuò)展補(bǔ)償容量，此時只需將聯(lián)機(jī)電纜線相互連接即可。

本項(xiàng)目中的變壓器容量為2500kVA,按變壓器容量配置的無功功率補(bǔ)償容量為1250kvar。考慮到項(xiàng)目中大量釆用照明等單相設(shè)備，因此在總無功補(bǔ)償中配置約的分相補(bǔ)償電容器，即總補(bǔ)償容量為1250kvar,其中三相補(bǔ)償電容為750kvar,分相補(bǔ)償電容為500kvaro分別采用三相補(bǔ)償和分相補(bǔ)償智能電容器模塊為主體來實(shí)施，電容器選型見表1,一次系統(tǒng)圖如圖3所示。

表1智能電容器配置表

FST-QMZS(S)/450-20.20型為三相補(bǔ)償智能電容器，其額定電壓為450V；電容容量(20.20)表示1臺智能電容器有2組可獨(dú)立投切的電容器組，分別為20kvar和20kvar,同理，(20.10)表示2組電容器組分別為20kvar和lOkvar。FST-QMZF(S)/250-20型智能電容為分相補(bǔ)償智能電容器，其額定電壓為250V,Y型連接，三相總?cè)萘繛?0kvar,每相為6.67kvar,且每相可單獨(dú)控制投切。由上述選型可知三相電容器共有40組，其中20kvar的為35組，lOkvar的為5組，這樣配置可按1:2編碼投切，以提高精度；同時相同容量的電容器組又有多臺，可循環(huán)投切，延長了使用壽命。

CS-三相補(bǔ)標(biāo)式智能電容器;CF—分相補(bǔ)慘式督能電容保護(hù)控制器

圖3音樂噴泉項(xiàng)目一次系統(tǒng)圖

3 基于智能電容器的補(bǔ)償裝置特點(diǎn)

（1）電容組數(shù)多，補(bǔ)償精度高。補(bǔ)償系統(tǒng)共選擇智能電容器45臺，其中三相補(bǔ)償智能電容器20臺共40組，分相補(bǔ)償智能電容器25臺共75組，這是傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置不可比擬的。由于組數(shù)越多，補(bǔ)償級差就越小，因此本項(xiàng)目中補(bǔ)償級差為lOkvar,也就是說，一旦電網(wǎng)缺額無功功率大于lOkvar,就可進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償精度是變壓器容量的1/250。多組容量相等的電容器按循環(huán)投切，容量不等的則按無功值編碼投切，既保證了補(bǔ)償精度，又盡量讓電容器組動作次數(shù)均等，延長了使用壽命。

(1)模塊體積小，節(jié)省安裝空間。智能電容器340mmX85mmX305mm的尺寸可采用刀片式安裝方式，在電氣柜內(nèi)安裝上下兩層，每層安裝8只智能電容器。可選3只800mmX1000mmX2350mm的GCS柜，就可裝下45臺智能電容器，且柜內(nèi)除了刀熔隔離開關(guān)外，僅有智能電容器，整潔、美觀、可靠。

（2）系統(tǒng)化補(bǔ)償，提高可靠性。45臺智能電容器聯(lián)機(jī)工作，組成一個補(bǔ)償系統(tǒng)，釆用一主多從的的模式。每只智能電容器獨(dú)立釆樣，并把數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)進(jìn)行分析，主機(jī)發(fā)出控制命令控制45臺智能電容器有序投切。從機(jī)出現(xiàn)故障時，自動退出補(bǔ)償系統(tǒng)，不影響其它智能電容器工作；主機(jī)出現(xiàn)故障時，也自動退出補(bǔ)償系統(tǒng)，由剩下的從機(jī)再次自動選舉產(chǎn)生一個主機(jī)。任何一臺智能電容器出現(xiàn)故障，不論是主機(jī)還是從機(jī)，整個補(bǔ)償系統(tǒng)僅補(bǔ)償容量減小，不影響正常運(yùn)行，避免了傳統(tǒng)無功補(bǔ)償系統(tǒng)中的控制器一旦損壞則整個補(bǔ)償系統(tǒng)癱瘓的情況。

（3）模塊化組裝，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。智能電容器二次回路及電流互感器配件均采用標(biāo)準(zhǔn)接口拔插式設(shè)計。在成套設(shè)備廠生產(chǎn)時，只需把智能電容器安裝固定，從柜內(nèi)刀熔隔離開關(guān)下端頭引出母線接入一次回路端頭，再把二次聯(lián)機(jī)電纜線安插到位，讓智能電容器之間、智能電容器與其配件“電容投切狀態(tài)指示器”和“無功功率自動補(bǔ)償控制器”形成一個通信系統(tǒng)即可。這就省去了復(fù)雜的二次線路，有利于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)環(huán)節(jié)故障率。

（4）模塊化使用，易維護(hù)擴(kuò)容。智能電容器二次接口釆用標(biāo)準(zhǔn)接口拔插式設(shè)計，當(dāng)個別模塊出現(xiàn)故障退出補(bǔ)償系統(tǒng)時，可直接拆除更換備用元件以便維修；當(dāng)系統(tǒng)補(bǔ)償容量不夠時，可直接增加智能電容器，而不需要考慮控制器的接口數(shù)量及繁雜的電容、開關(guān)、保護(hù)元件等散件的安裝與接線。

4 安科瑞AZC/AZCL智能電容器介紹及選型

4.1產(chǎn)品概述

AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺共補(bǔ)或一臺分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)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(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/p>

AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動尋找投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。

4.2 AZC系列智能電容器選型：

AZCL系列智能電容器選型：

4.3產(chǎn)品實(shí)物展示

AZC系列智能電容模AZCL系列智能電容模塊

安科瑞無功補(bǔ)償裝置智能電容方案

5 結(jié)束語

基于智能電容器的新式低壓無功補(bǔ)償裝置是傳統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置的一種變革，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)、檢測技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展的必然成果。它不僅通過模塊化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了裝置的小型化，方便了設(shè)備的運(yùn)維；而且通過模塊間的通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的相互配合和獨(dú)立運(yùn)行，體現(xiàn)了智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、高性能的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

【1】郭國方.無功補(bǔ)償在城市配網(wǎng)中的應(yīng)用【J】.電網(wǎng)技術(shù).2007.31（增刊1）:229.230

【2】魏林，基于智能電容器的新式無功補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用研究

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11版

作者簡介：霍麗麗，女，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)橹悄茈娏﹄娙莓a(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用。