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低压无功补偿装置发展现状

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低压无功补偿装置发展现状

发布日期:2019-05-30 作者: 点击:

在10KV以上的电网中,出于注重安全的原因,很少使用自动无功补偿装置。另外,由于无功尽量就地补偿的原则,低压自动无功补偿装置(以下简称补偿装置)获得了广泛的应用,并不断的有新技术涌现出来,是一个百花齐放的局面。鉴于这样的局面,本文不可能面面俱到,只能略述梗概。

  除了极少数试验型的STATCOM装置外,补偿装置绝大部分都是使用并联电容器进行补偿的。因此,本文只讨论使用并联电容器的补偿装置。

  一,以电容器连接方式为出发点的补偿装置分类:

  1,三相电容器同时投切型补偿装置。这类补偿装置中使用三相电力电容器,通过检测某一相的电流来进行计算并控制电容器的投入数量来达到补偿目的。由于电容器对三相提供的无功电流相等,因此这类补偿装置只适用于三相电流基本平衡的负荷情况。当负荷的三相电流不平衡时,不能够使三相均得到良好的补偿,可能有某一相过补偿,有某一相欠补偿。  此类补偿装置由于结构简单价格低廉而用量最大。

  2,单相电容器分相投切型补偿装置。这类补偿装置中使用单相电力电容器,通过检测三相电流来进行分别计算并控制各相电容器的投入数量来达到补偿目的,相当于3台单相补偿装置。这类补偿装置可以使各相的无功电流均获得良好的补偿,但是对不平衡有功电流无能为力。用于三相电流不平衡的负荷情况时,比三相电容器同时投切型补偿装置的效果好。 此类补偿装置由于结构比较复杂,价格较高,使用量较少。

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  3,调整不平衡电流型补偿装置。这类装置中使用单相电力电容器,通过检测三相电流来进行综合计算并控制各相电容器的投入方式和数量来达到补偿和调整不平衡电流的目的。与分相补偿装置本质不同的是,这类补偿装置利用了在相间跨接的电容器可以在相间转移有功电流的原理,通过在各相与相之间及各相与零线之间接入不同数量电容器的方法,不但可以使各相的无功电流均获得良好的补偿,还可以将三相间的不平衡有功电流调整至平衡。这类补偿装置用于三相电流不平衡的负荷情况时,具有无与伦比的使用效果。

  此类补偿装置结构比较复杂,价格较高,由于是新技术所以使用量较少,但是必然会替代单相电容器分相投切型补偿装置。

  二,以电容器的控制投入方式为出发点的补偿装置分类:

  1,交流接触器控制投入型补偿装置。由于电容器是电压不能瞬变的器件,因此电容器投入时会形成很大的涌流,涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流。涌流会对电网产生不利的干扰,也会降低电容器的使用寿命。为了降低涌流,现在大部分补偿装置使用电容器投切专用接触器,这种接触器有1组串联限流电阻与主触头并联的辅助触头,在接触器吸合的过程中,辅助触头首先接通,使电容器通过限流电阻接入电路进行预充电,然后主触头接通将电容器正常接入电路,通过这种方式可以将涌流限制在电容器额定电流的20倍以下。

  此类补偿装置价格低廉,可靠性较高,应用最为普遍。由于交流接触器的触头寿命有限,不适合频繁投切,因此这类补偿装置不适用频繁变化的负荷情况。

  2,晶闸管控制投入型补偿装置。这类补偿装置就是SVC分类中的TSC子类。由于晶闸管很容易受涌流的冲击而损坏,因此晶闸管必须过零触发,就是当晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。过零触发技术可以实现无涌流投入电容器,另外由于晶闸管的触发次数没有限制,可以实现准动态补偿(响应时间在毫秒级),因此适用于电容器的频繁投切,非常适用于频繁变化的负荷情况。晶闸管导通电压降约为1V左右,损耗很大(以额定容量100Kvar的补偿装置为例,每相额定电流约为145A,则晶闸管额定导通损耗为145×1×3=435W),必须使用大面积的散热片并使用通风扇。晶闸管对电压变化率(dv/dt)非常敏感,遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况很容易误导通而被涌流损坏,即使安装避雷器也无济于事,因为避雷器只能限制电压的峰值,并不能降低电压变化率。

  此类补偿装置结构复杂,价格高,可靠性差,损耗大,除了负荷频繁变化的场合,在其余场合几乎没有使用价值。

  3,复合开关控制投入型补偿装置。复合开关技术就是将晶闸管与继电器接点并联使用,由晶闸管实现电压过零投入与电流过零切除,由继电器接点来通过连续电流,这样就避免了晶闸管的导通损耗问题,也避免了电容器投入时的涌流。但是复合开关技术既使用晶闸管又使用继电器,于是结构就变得相当复杂,并且由于晶闸管对dv/dt的敏感性也比较容易损坏。

  4,同步开关投入型补偿装置。同步开关技术是近年来最新发展的技术,顾名思义,就是使机械开关的接点准确地在需要的时刻闭合或断开。对于控制电容器的同步开关,就是要在开关接点两端电压为零的时刻闭合,从而实现电容器的无涌流投入,在电流为零的时刻断开,从而实现开关接点的无电弧分断。

  同步开关技术中拒绝使用可控硅,因此仍然不适用于频繁投切。可以预见:使用磁保持继电器的同步开关必将替代复合开关和交流接触器。

  三,补偿装置中使用的电力电容器

  现在补偿装置中使用的低压电力电容器均为金属化电容器。金属化电容器体积小,价格低廉,具有自愈性,因此获得广泛的应用。

  金属化电容器的极板是真空蒸发的铝膜,其厚度在纳米数量级,由于铝膜极薄,当介质膜由于疵点而发生局部击穿时会将疵点及附近的铝膜蒸发掉,因此不会发生短路故障,这就是所谓的自愈作用。

  金属化电容器的电极引出工艺是在芯元件卷制完成以后在元件两端喷涂金属导电层,然后在导电层上焊接引出导线。由于极板电流要由元件中部向两端流动,而极板的铝膜极薄,电阻损耗较大,因此从尽量减少电阻损耗的前提下希望芯元件尽量卷制成短粗形。另一方面,由于极薄的铝膜极板并没有多少机械强度,因此芯元件端部导电层与极板之间并不能形成牢固的连接,当芯元件由于发热而出现不均匀变形时,端部导电层与极板之间很容易形成局部脱离而出现故障,从这一点出发,又希望芯元件尽量卷制成细长形。

  金属化电力电容器有矩形和圆柱形两种结构。矩形结构的电容器内部的芯元件细长并排排列,适用于普通应用场合。圆柱形结构的电容器内部的芯元件短粗串列排列,适用于谐波较严重的场合。

  金属化电容器在运行中出现的问题主要是电容量减小,所有的金属化电容器随着运行时间的延长电容量都会由于自愈过程而减小,只不过程度有所不同。有些质量较差的电容器还会出现端部导电层与极板脱离的故障,其现象表现为电容量降低为额定值的一半,甚至三分之,甚至为零。同一品牌的电容器,单台容量越大,则其芯元件越长,直径越粗,元件长导致电阻损耗增大,元件粗则端面导电层面积大且元件内外温差加大使导电层越容易与极板发生脱离,因此使用单台大容量电容器不如使用小电容器并联的可靠性高。金属化电容器的短路与爆炸故障较少。

  四,补偿装置中使用的控制器

  最早的无功补偿控制器是以功率因数为依据进行控制的,这种控制器因为价格低廉现在仍然在使用。以功率因数为依据进行控制的最大问题就是轻载振荡。例如:一台补偿装置里最小的电容器容量是10Kvar,负荷的感性无功量为5Kvar且功率因数为滞后0.5。这时,投入一台电容器则功率因数变为超前0.5,切除电容器则功率因数变为滞后0.5,于是震荡过程就会没完没了地进行下去。

  较新型的无功补偿控制器都是以无功功率为依据进行控制的,这就要求必须具备设定功能,可以对补偿装置中的电容器容量进行设定,从而可以根据负荷无功量决定怎样投入电容器,因此可以消除轻载振荡现象。

  随着技术的不断进步,无功补偿控制器的附加功能也越来越多,如数据存储,数据通讯,谐波检测,电量检测等等。使用的控制元件也从最初的小规模集成电路到8位单片机,再到16位单片机,再到16位DSP,直至最高级的32位单片机。现在的32位单片机的价格已经降到30多元一片,对控制器的硬件成本已经没有多少影响,其性能超过8位单片机100倍以上,难以普及的原因主要是技术开发难度太大。

  五,补偿装置与其他设备的组合

  随着无功补偿装置应用的不断普及,补偿装置与其他设备的组合是一个必然趋势。例如补偿装置与计量箱的组合,补偿装置与开关箱的组合等等。组合装置可以降低成本,减少占用空间,减少连接线,减少维护工作量。组合装置的设计制造没有技术难度,只是因为没有统一的标准,所以生产厂商只能根据订货来组织生产。


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