新型防諧型低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的研制

劉勇浩　陳子輝　徐偉斌　朱文超

摘要：低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，但受環(huán)境溫濕度及諧波影響，補(bǔ)償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，導(dǎo)致大量低壓公用配電房和配電線路的無(wú)功補(bǔ)償裝置并未投入運(yùn)行，因而供電功率因數(shù)低下。為節(jié)能增效，提高低壓公用配電房和配電線路供電功率因數(shù)，研制了一種防諧型低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，以減少補(bǔ)償裝置控制器、接觸器和電容器的損壞，提高低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的使用率。

關(guān)鍵詞：低壓公用配電房;配電線路;防諧;無(wú)功補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：TM714.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1671-0797（2022）02-0054-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.015

0 ? ?引言

目前，低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置[1]，但補(bǔ)償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，大量的低壓公用配電房和配電線路的無(wú)功補(bǔ)償裝置并沒(méi)有投入運(yùn)行，導(dǎo)致供電功率因數(shù)低下。補(bǔ)償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，除了環(huán)境溫濕度影響之外，諧波影響最為嚴(yán)重。

當(dāng)前電力用戶(hù)使用了大量非線性負(fù)荷，如居民家里用的照明裝置很多都會(huì)采用LED燈和節(jié)能燈，LED的電子開(kāi)關(guān)電源和節(jié)能燈都是諧波源，會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波，這些諧波除了會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償裝置的控制器及接觸器產(chǎn)生誤動(dòng)和異常過(guò)熱損壞之外，高次諧波還會(huì)對(duì)補(bǔ)償電容器內(nèi)部產(chǎn)生過(guò)電流和過(guò)電壓損壞。

同時(shí)，高次諧波還將消耗大量無(wú)功功率，如果無(wú)功功率不足，配電變壓器的損耗就會(huì)增大;配電線路由于線路長(zhǎng)，會(huì)消耗大量無(wú)功功率，而無(wú)功功率不足，配電線路的損耗也會(huì)增大，終端用戶(hù)電壓就有可能達(dá)不到使用要求[2]。

1 ? ?事故案例分析

1.1 ? ?某生產(chǎn)廠諧波測(cè)試報(bào)告

2012-08-21T17：46，220 kV某變電站10 kV #1電容器組過(guò)流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作，10 kV #1電容器組571DR開(kāi)關(guān)跳閘。經(jīng)初步分析，認(rèn)為諧波是造成電容器組損壞的主要原因。2012年8月28日—9月6日，試驗(yàn)班對(duì)220 kV某變電站10 kV 1M母線進(jìn)行了電能質(zhì)量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)10 kV 1M母線2次、4次諧波電流數(shù)值較大。對(duì)變電站10 kV 1M母線所供電的10 kV線路逐條進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)10 kV某Ⅱ線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)2次、4次諧波電流較大，其中最大值接近國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值;10 kV某線實(shí)測(cè)諧波數(shù)據(jù)5次、7次諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。

2012年9月19日—26日，對(duì)10 kV某Ⅱ線、10 kV某線、客戶(hù)配變進(jìn)行跟蹤測(cè)量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)10 kV某Ⅱ線供電的某廠產(chǎn)生的4次、5次諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值，且2次諧波電流較大;10 kV某線供電的某廠產(chǎn)生的5次、7次諧波電流超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 ? ?110 kV某變電站#1電容器組故障原因初步分析

2013年，110 kV某變電站10 kV #1電容器組發(fā)生不平衡電壓跳閘，試驗(yàn)班對(duì)#1電容器組進(jìn)行電氣試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A相電抗器直流電阻異常變小，阻值為20.04 mΩ，其他兩相電抗器阻值分別為B相91.04 mΩ、C相92.71 mΩ，其他常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目正常。判斷是A相電抗器匝間短路，需更換。2014年8月—10月，對(duì)三相電抗器全部進(jìn)行更換，串聯(lián)電抗器由6%改為5%，交接驗(yàn)收合格后，2014年10月30日10 kV #1電容器組投入運(yùn)行，合閘時(shí)又發(fā)生不平衡電壓跳閘（兩次的動(dòng)作電壓都是29 V左右）。

根據(jù)跳閘情況以及與設(shè)計(jì)、制造廠家溝通的情況，為進(jìn)一步確認(rèn)高壓設(shè)備是否處于正常的健康狀態(tài)，我所對(duì)電容器、放電線圈、電抗器、避雷器及高壓開(kāi)關(guān)重新進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)放電線圈進(jìn)行比差、角差和勵(lì)磁特性試驗(yàn)。以上全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)正常，初步認(rèn)為一次設(shè)備沒(méi)有問(wèn)題。

為分析是否是相間電壓或諧波影響導(dǎo)致電容器組電壓不平衡動(dòng)作，我所對(duì)以往某站電能質(zhì)量測(cè)試的結(jié)果以及跳閘時(shí)刻的相間電壓和諧波進(jìn)行了分析。

1.2.1 ? ?用戶(hù)諧波測(cè)試的結(jié)果分析

2014年9月9日，我所在電能質(zhì)量干擾源用戶(hù)普測(cè)中發(fā)現(xiàn)某站兩條10 kV用戶(hù)專(zhuān)線諧波電流超標(biāo)。

（1）10 kV 1M母線：10 kV某線路F715，5次、7次諧波電流超標(biāo)（分別是42.81 A和13.03 A，計(jì)算限值分別為5.38 A和4.74 A）。母線諧波電壓總畸變率為2.93%（國(guó)標(biāo)4%），三相電壓不平衡度和電壓偏差由于測(cè)試時(shí)實(shí)際接線方式為V接，未能進(jìn)行比較。

（2）10 kV 2M母線：10 kV某某線F721，3次、5次、7次諧波電流超標(biāo)（分別是5.30 A、39.77 A、16.54 A，計(jì)算限值分別為4.34 A、4.86 A、4.34 A）。母線諧波電壓總畸變率為2.93%（國(guó)標(biāo)4%），三相電壓不平衡度為0.42%（國(guó)標(biāo)4%），電壓偏差為（+1.14%，-1.49%）（國(guó)標(biāo)±7%）。

1.2.2 ? ?跳閘時(shí)刻的電壓和諧波

根據(jù)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)記錄，當(dāng)時(shí)10 kV 1M及2M并列運(yùn)行，#2電容器組也正常投入運(yùn)行，10 kV母線的電能質(zhì)量情況是一樣的。10 kV母線PT監(jiān)測(cè)的是10 kV母線電壓情況，而放電線圈監(jiān)測(cè)的是電容器組內(nèi)部各相電容器的電壓，10 kV母線電能質(zhì)量情況對(duì)電容器組不平衡電壓跳閘的影響關(guān)系還需進(jìn)一步檢測(cè)和分析。由于保護(hù)提供的信息非常少，甚至沒(méi)有電壓不平衡的具體相別，因此無(wú)法準(zhǔn)確判斷跳閘時(shí)的諧波情況，也無(wú)法判別是否是合閘電流所產(chǎn)生的電壓不平衡。

通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)事故案例的分析可知，諧波影響導(dǎo)致電容器組電壓不平衡動(dòng)作，是造成電容器組損壞的主要原因。目前低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，但補(bǔ)償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，大量的低壓公用配電房和配電線路的無(wú)功補(bǔ)償裝置并沒(méi)有投入運(yùn)行，導(dǎo)致供電功率因數(shù)低下。

2 ? ?防諧型低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

為節(jié)能增效，提高低壓公用配電房和配電線路供電功率因數(shù)，計(jì)劃研制一種防諧型低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，以減少補(bǔ)償裝置控制器、接觸器和電容器的損壞，提高低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置的使用率[3]。

2.1 ? ?設(shè)計(jì)電容控制保護(hù)模塊

為防止系統(tǒng)外雷電波、系統(tǒng)內(nèi)電壓波動(dòng)沖擊以及諧波干擾，設(shè)計(jì)控制器保護(hù)模塊，由避雷器和電容控制保護(hù)器組成。避雷器與電容控制保護(hù)器并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)作用電壓超過(guò)一定幅值時(shí)避雷器總是先動(dòng)作，通過(guò)它自身泄放掉大量的能量，限制過(guò)電壓，保護(hù)電容控制保護(hù)器。電容控制保護(hù)器設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。

高頻情況下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)足以抵消線圈的干擾，起到屏蔽的作用，當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)，感應(yīng)電流就不再隨著頻率提高而繼續(xù)增大。裝置含有一種低壓磁環(huán)（鐵氧體抗干擾磁芯），作用為吸收低頻信號(hào)并將吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，在低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置中，低壓磁環(huán)用于抑制低次諧波干擾信號(hào)的通過(guò)。

2.2 ? ?設(shè)計(jì)控制器防諧功能

無(wú)功補(bǔ)償控制器采樣電壓受諧波電壓影響，諧波干擾會(huì)導(dǎo)致控制器采樣信號(hào)不穩(wěn)定，并且控制器也經(jīng)常受過(guò)電壓沖擊而容易損壞，所以增加防過(guò)電壓功能和防諧功能加以保護(hù)。防諧功能主要是采用電感線圈防諧方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 ? ?設(shè)計(jì)電容器防諧功能

防諧裝置根據(jù)配電房的諧波背景參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而配電房的諧波背景參數(shù)是根據(jù)一年內(nèi)用電負(fù)荷曲線，選擇負(fù)荷較大的用電時(shí)段通過(guò)便攜式電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)獲得。一般配電房連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)1天即24 h，用電負(fù)荷變化較大的配電房連續(xù)監(jiān)測(cè)7天或1個(gè)月。根據(jù)不同的諧波含量，設(shè)計(jì)不同參數(shù)的防諧裝置。電容器很容易放大諧波電流，從而產(chǎn)生過(guò)電流，為此設(shè)計(jì)了電容電流保護(hù)模塊，原理圖如圖2所示。

2.4 ? ?設(shè)計(jì)接觸器保護(hù)功能

一般而言，配電房白天和晚上負(fù)荷相差較大，為此可采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置或靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，兩種裝置都可以隨著負(fù)荷的變動(dòng)而自動(dòng)投切電容器。

第一種方案：動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接觸器由主開(kāi)關(guān)和副開(kāi)關(guān)組成，補(bǔ)償裝置不需要即時(shí)合分閘，通過(guò)設(shè)置程序，需要合閘時(shí)先通過(guò)副開(kāi)關(guān)合閘，之后再合主開(kāi)關(guān)，而需要分閘時(shí)又先分開(kāi)副開(kāi)關(guān)，再分開(kāi)主開(kāi)關(guān)。主開(kāi)關(guān)是具有可控分合閘功能的空氣開(kāi)關(guān)，副開(kāi)關(guān)是具有信號(hào)輸出功能的復(fù)合開(kāi)關(guān)，這樣可以延長(zhǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接觸器的使用壽命。

第二種方案：公用配電房和配電線路直接采用靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，采用大容量接觸器，同時(shí)搭配防諧器，降低接觸器合閘電流。動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置接觸器中的元件容易受諧波干擾而損壞，同時(shí)疊加的諧波電流也會(huì)造成控制器接觸點(diǎn)過(guò)熱燒熔，觸點(diǎn)不能分開(kāi);而直接采用靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，采用大容量接觸器可避免接觸點(diǎn)過(guò)熱燒熔現(xiàn)象。不過(guò)，當(dāng)負(fù)荷處于輕載或空載狀態(tài)時(shí)，控制器將無(wú)法投入小容量電容器，難免會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷功率因數(shù)偏低。為防止輕載或空載時(shí)失去補(bǔ)償，設(shè)計(jì)自動(dòng)補(bǔ)償模塊，設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

2.5 ? ?設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)裝置

由于配電線路不斷變化，系統(tǒng)參數(shù)也在變化，電容器防諧裝置需要改變參數(shù)，防止諧波放大，同時(shí)為防止電容器因過(guò)流、過(guò)壓而損壞，甚至發(fā)生爆炸，設(shè)計(jì)了過(guò)電流保護(hù)裝置，以延長(zhǎng)電容器壽命。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

新型防諧裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)防諧裝置，防止諧波入侵補(bǔ)償裝置，減少控制器、接觸器和電容器的損壞，確保補(bǔ)償裝置正常投運(yùn);設(shè)計(jì)過(guò)電流保護(hù)裝置，防止諧波放大，引起電容器故障甚至爆炸。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張一工，肖湘寧.現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

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[3] 薛雙苓，王磊.試論電氣自動(dòng)化中無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用[J].科技資訊，2011（29）：156.

收稿日期：2021-09-16

作者簡(jiǎn)介：劉勇浩（1974—），男，廣東江門(mén)人，工程師，主要從事電網(wǎng)配電運(yùn)維工作。