探討功率因數(shù)補償器、電容器與△∕Y自動投切關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)

郭 平，潘秀華，蔡 祥，周 穎，王 軍，杜治潮

(1.江蘇省江都水利工程管理處，江蘇 江都 225200;2.泰州市城區(qū)河道管理處，江蘇 泰州 225300;3.國家電網(wǎng)江都供電公司，江蘇 江都 225200)

0 引言

供、配電網(wǎng)的功率因數(shù)不僅關(guān)系電力系統(tǒng)向電力用戶提供電能質(zhì)量的優(yōu)劣，而且還直接影響電網(wǎng)自身運行的安全性和經(jīng)濟性，對于能源節(jié)約、環(huán)境保護(降低CO2的排放量)以及資金節(jié)約均具有重要意義。本文從交流配電用戶比較重視的角度，用電工基礎(chǔ)理論解析有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)之間的關(guān)系;并通過我們接觸的實際工作中應(yīng)用同步電動機、無功補償控制器提供電網(wǎng)經(jīng)濟功率因數(shù)在節(jié)能、增效的例證，探討了低壓無功功率補償裝置的智能控制器、△∕Y復(fù)合投切、補償電容器的工作原理，參數(shù)性能、特點、作用及應(yīng)用。

1 功率因數(shù)

它是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)，是交流電路有功功率與視在功率的比值，是反映用電設(shè)備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項重要指標(biāo)。電網(wǎng)中的用電負(fù)荷，如電動機、變壓器等，屬于既有電阻又有電感的感性負(fù)載，與功率因數(shù)有密切的關(guān)系。

1.1 自然功率因數(shù)

用電設(shè)備沒有安裝無功補償設(shè)備時的功率因數(shù)，或者說用電設(shè)備本身所具有的功率因數(shù)。自然功率因數(shù)的高低主要取決于用電設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)。電阻性負(fù)荷(白熾燈、電水壺)的功率因數(shù)較高，近似等于1，而電感性負(fù)荷(電動機、電焊機)的功率因數(shù)比較低，都小于1。在電力網(wǎng)絡(luò)中，用電設(shè)備的自然功率因數(shù)都比較低，通常為0.6% ～0.7%。因此必須提高自然功率因數(shù)，以降低線損、改善電壓質(zhì)量。

1.2 瞬時功率因數(shù)

在某一瞬間由功率因數(shù)表讀出的功率因數(shù)。瞬時功率因數(shù)是隨著用電設(shè)備的類型、負(fù)荷的大小和電壓的高低而時刻在變化的。

1.3 加權(quán)平均功率因數(shù)

在一定時間段內(nèi)功率因數(shù)的平均值。

1.4 經(jīng)濟功率因數(shù)

用戶的節(jié)能效益和電能質(zhì)量最佳，支付電費最少的用電功率因數(shù)。安裝一定容量的無功補償裝置可以提高用電設(shè)備的功率因數(shù)，可以通過電網(wǎng)的無功功率減少，也就減少了有功功率和無功功率損失，功率因數(shù)提高多少最為經(jīng)濟，則需要根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟計算比較，全面衡量后決定。提高功率因數(shù)的方法有兩種:一種是改善自然功率因數(shù)，另一種就是安裝功率因數(shù)補償裝置。

1.5 通過功率三角形幾何圖形解析功率因數(shù)

用電負(fù)荷的視在功率S，S=U·I，單位為伏安(VA)或千伏安(kVA);有功功率為 P，P=S·cosφ=U·Icosφ，單位為瓦(W)或千瓦(kW);無功功率為Q，Q=S·sinφ =U·Isinφ，單位為乏(var)或千乏(kvar);電壓有效值為U，電流有效值為I，在圖1中:cosφ表示有功功率P和視在功率S的比值，稱為力率或功率因數(shù)。在感性電路中，電流落后于電壓，0°＜φ＜90°，Q為正值;而在容性電路中，電流超前于電壓，電壓滯后，－90°＜φ＜0°，Q為負(fù)值。而在純電阻負(fù)載中，電壓與電流同相位，無超前與滯后，Q=0。由此，可見電感性負(fù)載的電壓和電流的相量間存在一個相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ來表示，稱為功率因數(shù)[3]。

圖1 功率三角形

1.6 在電網(wǎng)中影響功率因數(shù)的主要因素有以下幾方面

1)大量的電感性設(shè)備，如異步電動機、感應(yīng)電爐、交流焊機等設(shè)備都是無功功率的主要消耗者。在工礦企業(yè)所消耗的全部無功功率中，異步電動機的無功消耗占了60% ～70%;而在異步電動機空載時無功消耗又占到電動機總無功消耗的60%～70%，所以，要改善異步電動機的功率因數(shù)就要防止電動機的空載運行，并盡可能提高負(fù)載率。

2)變壓器效耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功功率約為滿載時的30%。

3)供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和影響，無功功率將增長得很快，一般無功功率將增加35%左右。當(dāng)供電電壓低于額定值時，無功功率也相應(yīng)減少，雖使功率因數(shù)有所提高但會影響電氣設(shè)備的正常工作。

2 常見有無功動態(tài)和無功靜止式補償裝置有兩類

2.1 同步(調(diào)相)電機

南水北調(diào)東線江都大型泵站33臺同步電動機、總裝機容量53000 kW。由圖2的V形曲線可見，同步電動機在過勵磁運行狀態(tài)下，向電力系統(tǒng)供給無功功率，在欠勵磁運行狀態(tài)下，從電力系統(tǒng)吸取無功功率。運行中的同步電動機除作為電動機拖動立式軸流水泵抽水外，還起著供給感性無功功率的發(fā)電機作用，是一個供給無功電力的電源。它采用微機晶閘管勵磁調(diào)節(jié)器設(shè)定在0.95～0.98恒功率因數(shù)運行，不受上下游水位落差或葉片角度的正負(fù)位調(diào)整，在線改善了高壓電網(wǎng)的功率因數(shù)。或者將下游進水閘門關(guān)閉，電機空載運行在調(diào)相工況，過勵磁時可以做到發(fā)出其額定65%～100%的無功功率[1]。1964年至1982年根據(jù)當(dāng)時高壓電網(wǎng)無功功率嚴(yán)重不夠，網(wǎng)路電壓下降22.5%左右，應(yīng)供電部門的需要，曾代發(fā)無功電能約47042.9萬kvar·h，專發(fā)無功電能約6655.7萬kvar·h，改善了當(dāng)時揚州電網(wǎng)的供電和用電質(zhì)量[3]。

圖2 V形曲線

2.2 并聯(lián)電容器無功補償?shù)淖饔?/h3>

1)電力電容器，在交流電壓下使用時通常以其無功功率來表示電容器的容量，單位V·A或kV·A。電容是衡量導(dǎo)體存儲電荷能力的物理量，存儲的電量和加上的電壓是成正比的，其比值叫做電容。如果電壓用U表示，電量用Q表示，電容用C表示，則C=Q∕U。電容的基本單位是法(F)，也常用微法(μF)或者皮法(pF)做單位。容抗和電容成反比，和頻率也成反比。容抗用XC表示，單位是Ω。頻率用f表示，容抗為:XC=1∕(2πfC)。

2)并聯(lián)電容器并聯(lián)在系統(tǒng)的母線上，類似于母線上的一個容性負(fù)荷，它吸收系統(tǒng)的容性無功功率，就相當(dāng)于并聯(lián)電容器向系統(tǒng)發(fā)出感性無功。因此，并聯(lián)電容器能向系統(tǒng)提供感性無功功率，可以提供系統(tǒng)運行的功率因數(shù)，提高受電端母線的電壓水平。同時，它減少了線路上感性無功的輸送，減少了電壓和功率損耗，因而提高了線路的輸電能力。

電力工程中常用的電壓、電流、電勢等均按正弦波規(guī)律變化，即它們都是時間的正弦函數(shù)。在第一個周期內(nèi)，電流由零逐漸增大，電感吸收功率，轉(zhuǎn)化為磁場能量，而電容放出存儲在電場中的電能，而第二個1/4周期，電感放出磁場能量，電容吸收功率，以后的1/4周期重復(fù)上述循環(huán)。因此當(dāng)電感和電容并聯(lián)接在同一電路時，電感吸收功率時正好電容放出能量，電感放出能量時正好電容吸收功率，能量在它們之間相互交換，即感性負(fù)荷所需無功功率，可以由電容器的無功輸出得到補償，這就是并聯(lián)電容器無功補償?shù)淖饔谩ｋ娏﹄娙萜鞒商籽b置是將電力電容器及其控制、投切、保護按一定接線方式連接起來的成套裝置，具有投資少、運行維護簡便、損耗小等，目前國內(nèi)外電力系統(tǒng)中90%的無功補償設(shè)備是并聯(lián)電容器。

3 傳統(tǒng)無功功率因數(shù)補償器

國內(nèi)自20世紀(jì)50年代初就進行功率因數(shù)補償器的研究工作。限于技術(shù)理論和元器件因素，70年代廣泛應(yīng)用PGJ補償柜，以B相電流與AC相電壓取樣，選用以cosφ為檢測量的控制器。

例如，江都針織總廠在1982年建成投產(chǎn)，使用泰州市海陵電源控制設(shè)備廠生產(chǎn)的無功補償控制器，采用晶體三極管分立元件放大器驅(qū)動步進式環(huán)形繼電器，帶動交流接觸器吸合，三角形共補投、切補償移相電容器，其缺點是:

1)投入電容器時產(chǎn)生倍數(shù)較高的浪涌電流，容易在接觸器的觸點處產(chǎn)生火花，燒損觸頭，使原來的面接觸變成點接觸，導(dǎo)致觸頭發(fā)熱，膠木碳化，固定螺絲松動，維修中更換接觸器比較多。

2)切斷電容器時，產(chǎn)生拉弧燒壞觸頭，嚴(yán)重時粘住觸頭，導(dǎo)致跳不開觸頭，斷不開補償電容器，有時產(chǎn)生相間短路。

3)浪涌電流過大對油浸移相(電力)電容器本身也不利，直接影響壽命，有些產(chǎn)生鼓肚膨脹滲油、導(dǎo)致爆炸。

4 智能補償器的功能特點

4.1 采樣科學(xué)

智能無功補償控制器采集變壓器端的三相電壓、電流信號，獲得三相電壓、三相電流、頻率和功率因數(shù)等負(fù)荷參數(shù)值，根據(jù)用戶設(shè)置的各類控制門閥通過控制器的CPU判斷是否需進行功率因數(shù)補償，輸入霍爾元件或相敏放大器等具有乘法功能的器件，由于檢測量和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上是合理的。這種方案的優(yōu)點是:檢測方法簡單，不會發(fā)生震蕩，補償效果與電網(wǎng)電壓波動無關(guān)。其采樣互感器 CT是三相線電流、UA、UB、UC、UN接入補償裝置作為三相相電壓采樣，這樣就把三相四線的電流、電壓控制信號輸入控制器，YST系列智能無功補償器采樣科學(xué)，如圖3所示，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和軟件校準(zhǔn)，并通過數(shù)字及邏輯運算可以得到三相無功功率及功率因數(shù)。

4.2 抗干擾能力強

如圖4微機控制器結(jié)構(gòu)圖所示，采用硬件“看門狗”電路，軟件“陷阱”雙重抗干擾措施。

圖3 無功補償自動控制器的信號接入

圖4 微機控制器結(jié)構(gòu)圖

5 低壓智能復(fù)合開關(guān)

該復(fù)合開關(guān)如圖5所示，采兩只晶閘管陽極A與陰極K反向并聯(lián)，同時與接觸器的常開觸頭JA相并聯(lián)，是針對固態(tài)繼電器及交流接觸器在低壓無功補償應(yīng)用中的不足而研制的。其工作原理是:在復(fù)合開關(guān)控制單元的控制板上，有晶閘管電壓過零觸發(fā)電路，來自補償裝置控制器的投、切信號，經(jīng)光電耦合器送PIC16C54單片機進行處理，輸出的時序信號，經(jīng)功率放大電路送MOC3083光電耦合器。晶閘管無觸點開關(guān)兩端電壓經(jīng)電阻降壓也送入MOC3083光電耦合器。當(dāng)系統(tǒng)電壓Us(t)與電容器電壓Uc(t)相等時晶閘管兩端電壓為零，這時光電耦合器可輸出觸發(fā)信號，觸發(fā)對應(yīng)的晶閘管導(dǎo)通。晶閘管一經(jīng)觸發(fā)就保持導(dǎo)通，電容器便投入運行。晶閘管導(dǎo)通后兩端電壓接近為零，只要單片機輸出的投入信號存在，光電耦合器就一直有觸發(fā)信號輸出，保證晶閘管可靠導(dǎo)通。當(dāng)單片機輸出的投入信號撤銷時，便停發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管則在電流過零時關(guān)斷，直到單片機下次發(fā)出投入指令才選擇電壓過零點重新投入。

5.1 復(fù)合開關(guān)的優(yōu)點還有顯著的節(jié)能效果

如果使用晶閘管而不用接觸器旁路，晶閘管在導(dǎo)通運行時，晶閘管結(jié)間會產(chǎn)生1 V左右的電壓降。通常15 kvar三角形接法的電容器，額定電流為22 A，則一個晶閘管消耗功率大約22 W。例如，以一個150 kvar電容柜來計算，運行時其晶閘管投切裝置消耗功率600 W，而且都變成熱量，使柜內(nèi)溫度升高。按照80%消耗功率計算，則每天消耗電能480 W×24 h=11.52 kW·h，一年則 11.52 kW·h×365=4204.8 kW·h。企業(yè)電價0.87元∕ kW·h計算，則0.87元 ×4204.8=3658.18元。而在投入電容器后由接觸器旁路，晶閘管退出就不存在晶閘管導(dǎo)通的1V電壓降，僅有很小的通態(tài)重復(fù)峰值電流 IDRM和反向重復(fù)峰值電流IRRM，對于通態(tài)平均電流IT(AV)50 A的晶閘管，峰值電流≤20 mA，可以忽略不計，從而使得復(fù)合開關(guān)在接通和斷開的過程中，具有晶閘管在投入時、切出時晶閘管導(dǎo)通，時間很短的過零投切的優(yōu)點;而在正常接通旁路期間接觸器線圈僅有DC12V、15 mA的電流，也可以忽略不記，視為無功耗的優(yōu)點，接觸器觸點不存在電弧及噪聲、熔焊等現(xiàn)象，安全可靠，使用壽命長。

圖5 復(fù)合開關(guān)控制單元控制板的電路圖

所謂“復(fù)合”就是將晶閘管、接觸器、阻容吸收、放電、控制板集成于同一個阻燃材料做成的盒里，類似一個CJ41－40A交流接觸器，有進出接線端頭，長 7.8 cm、寬5.5 cm、高 13.8 cm。

5.2 過零投切

在正弦50 Hz/s的工頻電網(wǎng)，利用晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷的可控制特性，當(dāng)控制器發(fā)出投入電容器的指令，先由晶閘管在電壓過零時導(dǎo)通并投入電容器，穩(wěn)定后磁保持交流接觸器觸點并聯(lián)閉合，類似軟起動器起動結(jié)束后接通接觸器觸頭旁路運行，晶閘管關(guān)斷退出?？刂破靼l(fā)出切除電容器的指令后，晶閘管先導(dǎo)通，磁保持繼電器線圈失電，觸頭動作再斷開。最后晶閘管延時過零關(guān)斷，從而實現(xiàn)電流過零切除。其中晶閘管就是一個無觸頭、無火花的在線開關(guān)。從采用交流接觸器進行投切，到選用晶閘管開關(guān)電路投切，以及發(fā)展為等電壓、零電流的過零投切最佳投切模式，在投切補償電容器過程中無涌流、無電弧、無噪聲、無功耗、準(zhǔn)確可靠。

5.3 共、分補相結(jié)合

針對△－Y運行情況，三相分相獨立檢測、先共補后分補，成功地解決了三相不平衡的補償問題。在三相四線制系統(tǒng)尤為重要，這是傳統(tǒng)補償器無法比擬的。分相補償是指分相投切單相電容器。在三相負(fù)荷不平衡或三相負(fù)荷的波動不一致的情況下，分相投切電容器能取得很好的補償效果。三相共補是指投切三相電容器，在負(fù)荷相對平衡的情況下，三相共補能取得很好的補償效果。

在民用建筑中大量使用的是單相負(fù)荷。照明、空調(diào)等由于負(fù)荷變化的隨機性變化大，容易造成三相負(fù)載的不平衡，使原本通過調(diào)配供電回路的負(fù)荷來實現(xiàn)的三相平衡，在實際運行中已無意義，導(dǎo)致了低壓供配電系統(tǒng)三相負(fù)載的嚴(yán)重不平衡。這種不平衡不具備規(guī)律性，無法先預(yù)知，也無法有效地改善。再加上毎相負(fù)載的功率因數(shù)也不盡相同，使得毎相回路中需要補償?shù)臒o功功率差異很大[4]。我們在使用傳統(tǒng)的三相無功補償方式，有時不但不能節(jié)能，反而浪費資源，難以對系統(tǒng)的無功補償進行有效補償。補償過程中產(chǎn)生的過補償、欠補償?shù)缺锥烁墙o整個電網(wǎng)的正常運行帶來嚴(yán)重的危害。

圖3展示采樣的信號取自三相中的每一相，根據(jù)每相感性負(fù)載的大小和功率因數(shù)的高低進行相應(yīng)的補償，對其它相不產(chǎn)生相互影響，故不會產(chǎn)生過補償和欠補償?shù)那闆r。

6 智能補償器器的應(yīng)用

6.1 例一

泰州市城區(qū)河道管理處周家墩閘站在2008年建站時就設(shè)計采用揚州揚開電力控制設(shè)備有限公司的低壓智能YKLD－18無功補償控制器，補償容量150 kvar。采用復(fù)合開關(guān) YHLD－63－3/△，A相、B相、C相各用一只三角形復(fù)合開關(guān)取代交流接觸器開關(guān)投、切控制，電力電容器產(chǎn)品型號:YKH －S450/30T，額定電壓:0.45 kV，額定輸出:30 kvar×3，額定電容:472 μf×3，接線方式:△型。復(fù)合開關(guān)YKLD－40－1/Y，單相Y型投切復(fù)合開關(guān)，電力電容器產(chǎn)品型號:YKH－S250/15S，額定電壓 0.25 kV，額定輸出 15 kvar×4，額定電容764 μf×3，接線方式:Y型。取代了傳統(tǒng)的交流接觸器控制，幾年來投運情況很好。

6.2 例二

某單位35 kV變電所拆遷改造，新地址比原地址增加200 m，加上原來300 m，大約有500 m供電電纜，分別輸送到三個小配電房。小區(qū)有400多戶的家庭用電就出現(xiàn)了峰、平、谷時段不同程度的問題。在2010年夏天住宅區(qū)多棟樓房用電高峰時段電壓嚴(yán)重低于－10%，后經(jīng)調(diào)整變壓器的有載調(diào)壓檔位，低電壓有些提高，但是非用電高峰時段電壓嚴(yán)重高于+10%，造成一些家用電器因電壓太高而損壞。糾查其原因是低壓無功功率補償嚴(yán)重不足，尤其是用戶終端的三個400～500 m的用電終端小配電房都沒有安裝低壓無功功率補償器。由于盛夏投用的空調(diào)、電風(fēng)扇、電冰箱感性負(fù)載估計2400 kW左右，其功率因數(shù)低于0.8。經(jīng)兩端電壓測量，500 m低壓主干線的線損壓降達45 V左右，后經(jīng)調(diào)整線路、恢復(fù)調(diào)壓檔位、加裝低壓智能無功功率補償裝置提高功率因數(shù)在0.92左右，電壓控制在220 V±10%的范圍，有效地改善了用戶的用電情況。

6.3 例三

江城機械有限公司有車床、銑床、大型龍門刨床、立式機床、磨床、電焊機數(shù)十臺。近年來設(shè)備不斷增加，并大多數(shù)處于輕載運行狀態(tài)。公司車床間功率因數(shù)很低，供電主干線經(jīng)常處于超負(fù)荷運行，線路壓降近35 V，機床前線電壓僅有352 V左右。補前測得有功功率表P=102 kW、電壓表U1=355 V、電流表I1=360 A。=221 kVA、cosφ1=P/S1=102/221=0.46，cosφ2取 =0.92，求得QC=149 kvar。實際選用了175 kvar。將原集中補，增改分散就地補，采用智能補償器和智能復(fù)合開關(guān)HFS－60－3/Δ、電容型號:BCMJ0.4 －25－3、5 ×25 kvar共補，加 HSF－60－1×3/Y、電容型號:BCMJ0.25－25－1Y、2×25 kvar分補投切。

補后U2=379V，I2=176 A。由此可見不僅提高了供電電壓，還大幅度減少了線路損耗，其損耗可以計算得出:ΔP=3I2R×10－3kW。經(jīng)過查表計算得出電阻系數(shù)為0.36 Ω/km，主干線長280 m，則線阻 R=0.36 ×0.28=0.1008(Ω)。節(jié)省損耗ΔP=P1－P2=3(I1－I2)2R×10－3=3(360－176)2×0.1008×10 － 3=10.238(kW)，按年運行2500 h，年節(jié)電10.238 ×2500=25595(kW·h)，按企業(yè)0.87元/kW·h計算，可節(jié)約電費0.87×25595=22267.65(元)。

現(xiàn)場改造，利用舊柜，購買智能補償控制器和智能型△/Y復(fù)合投切開關(guān)、增補電容器等投資18950元，僅用10個月左右時間就可以收回成本。以后每年可節(jié)省電費22267.65元，又不要更換主干線電纜，提高了機床效率，既能安全運行又減少投資，同時還可以節(jié)省電費開支。過去誤認(rèn)為補償器沒有什么用，供電公司在cosφ＜0.9時罰款也不知怎么回事，改造后功率因數(shù)0.9～0.97之間有時還有480元左右/月的獎勵。

7 結(jié)語

通過對傳統(tǒng)和現(xiàn)代智能型補償器控制器的分析與比較、投切方式的分析與比較，突出了復(fù)合開關(guān)投切電容器，優(yōu)點:實現(xiàn)了投入無涌流，運行不發(fā)熱;電容器切除時，觸頭動作無火花、無拉弧，從而使得復(fù)合開關(guān)在接通和斷開的過程中，具有晶閘管過零投、切的優(yōu)點。而且在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優(yōu)點。任何一個用戶用電時都存在著一個節(jié)能效益和電能質(zhì)量最佳、支付電費最少的用電功率因數(shù)，這個值稱為經(jīng)濟功率因數(shù)，一定會取得很好的經(jīng)濟效益和社會效益。

節(jié)能減排是一個長期而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。隨著電網(wǎng)中的電能質(zhì)量越來越被人們重視，配電變壓器低壓側(cè)無功補償裝置在配電系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。淘汰功能不好的補償控制器，選擇適合自己單位的智能補償控制器優(yōu)化組合，這是一個利國利民的科技創(chuàng)新增效的陽光工程。

[1]杜治潮主編.同步電動機勵磁裝置應(yīng)用技術(shù)[M].南京:東南大學(xué)出版社，2001.

[2]湯正軍主編.江都水利樞紐志[M].南京:河海大學(xué)出版社，2004.

[3]金哲主編.節(jié)電技術(shù)與節(jié)電工程[M].北京:中國電力出版社，1999.