应用于无功补偿的智能电力电容器

摘要：在电力系统和电工设备中，低压电力电容器一般以并联的方式连接。减少了电力系统中无功功率的输出，使电力设备的负荷降低，为电力系统提升有功功率、提升功率因数、减少电力设备损耗等。
智能电容器集成了现代测控，电力电子，网络通讯，自动化控制，电力电容器等先进技术。改变了传统无功补偿装置落后的控制器技术和落后的机械式接触器或机电一体化开关作为投切电容器的投切技术，改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式，从而使新一代低压无功补偿设备具有补偿效果更好，体积更小，功耗更低，价格更廉，节约成本更多，使用更加灵活，维护更加方便，使用寿命更长，可靠性更高的特点，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。
关键词：智能电力电容器；无功补偿；并联电容器；自动贴切；功率因数

引言：
近年来，无功补偿和谐波问题成为电能质量中十分棘手的问题，对电力系统的危害也是被大家广泛认知，国家和地方也相继出台了很多相关的标准和规定，由于电能质量问题的复杂特殊性，我司作为电能质量产品供应商，也是积极投入研发出各类治理产品，制定各类解决方案，为电力系统保驾护航！
一、背景介绍：
1、功率因数偏低的危害
在供电系统中，由于感性电力负荷的存在，使得系统的自然功率因数较低，如不采用人工补偿，以提高系统功率因数，将造成如下不良影响：
（1）降低了发电机的输出功率，当发电机需提高无功输出，低于额定功率因数运行时，将使发电机有功输出降低。
（2）降低了变电、输电设施的供电能力。
（3）设备及线路损耗增加。
（4）功率因数愈低，还会使线路及变压器的电压降增大。如果是冲击性无功负载，还会使电网产生剧烈波动，使得用电设备的运行条件恶化，以及供电质量严重降低。
2、提高功率因数的好处
供电部门为了提高成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对用户端有什么好处呢？
① 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。
② 良好的功因数值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。
③ 可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。
举例而言，将1000kVA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时：
补偿前：1000×0.8=800kW
补偿后：1000×0.98=980kW
同样一台1000kVA的变压器，功率因数改变后，它就可以多承担180kW的负载。
④ 减少了用户的电费支出；透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠。

可见，提高功率因数不仅对电力系统，而且对企业的经济运行有着重大意义。工业企业在考虑提高功率因数时，应采用人工无功补偿装置，以提高电力系统的功率因数，改善供电质量。
3、什么是无功补偿？
无功补偿，全称无功功率补偿，是一种在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境的技术。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置。合理的选择补偿装置，可以做到较大限度的减少电网的损耗，使电网质量提高。反之，如选择或使用不当，可能造成供电系统，电压波动，谐波增大等诸多因素。详细介绍了无功补偿的基本原理、意义、投切方式、线路、控制器、高低压装置、补偿方式、存在的问题等。
4、无功补偿的意义？
（1）降低变压器输出无功功率，减少电网运行电流
（2）降低变压器和电缆的损耗，节能明显
（3）提高变压器的利用率，输出更多的有功功率
（4）提高电网的功率因素，避免用电罚款
（5）减少配电系统中的压降，提高用户端电压
二、产品介绍
本文简单介绍下无功补偿装置之智能电力电容器。
1、电力电容器的补偿原理
电容器在原理上相当于产生容性无功电流的发电机。其无功补偿的原理是把具有容性功率负荷的装置和感性功率负荷并联在同一电容器上，能量在两种负荷间相互转换。这样，电网中的变压器和输电线路的负荷降低，从而输出有功能力增加。在输出一定有功功率的情况下，供电系统的损耗降低。比较起来电容器是减轻变压器、供电系统和工业配电负荷的简便、经济的方法。因此，电容器作为电力系统的无功补偿势在必行。当前，采用并联电容器作为无功补偿装置已经非常普遍。
2、电力电容器补偿的特点
1）优点 
电力电容器无功补偿装置具有安装方便，安装地点增减方便；有功损耗小(仅为额定容量的0.4 %左右)；建设周期短；投资小；无旋转部件，运行维护简便；个别电容器组损坏，不影响整个电容器组运行等优点。
2）缺点 
电力电容器无功补偿装置的缺点有：只能进行有级调节,不能进行平滑调节;通风不良，一旦电容器运行温度高于70℃时，易发生膨胀爆炸；电压特性不好，对短路稳定性差，切除后有残余电荷；无功补偿精度低，易影响补偿效果；补偿电容器的运行管理困难及电容器安全运行的问题未受到重视等。
3、主要应用领域有：
■居民小区配电系统
■市政商业建筑
■交通隧道配电系统
■箱变、成套柜、户外配电箱
4、安科瑞电容补偿装置介绍
AZC/AZCL系列智能电力电容补偿装置是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式，具有补偿效果更好，体积更小，功耗更低，价格更廉，节约成本更多，使用更加灵活，维护更方便，使用寿命更长，可靠性更高的特点，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。
（1）AZC系列智能电容器采用晶闸管复合开关投切，较佳投切点，实现无弧通断；完善的保护功能，集成在一个模块内，安装方便。

 

AZC系列智能电容器选型：

（2）AZCL是在AZC基础上，串接合适电抗率（7%适用于5/7次以上谐波环境，14%适用于3/5/7次以上谐波环境）的电抗，可有效解决谐波，避免谐振放大谐波，保护电容柜本身寿命。

 

AZCL系列智能电容器选型：

 

上述两种智能电容器采用LCD液晶显示器，可实时显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等电参量。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找较佳投入（切除）点，实现无弧通断；保证过零投切，无涌流、触点不烧结、微能耗、无谐波；同时具有抗干扰、防雷击和电源缺相、空载跳闸的保护功能，特别适用于无功补偿时切换电容器，不需加装散热器。
5、并联电容器补偿无功功率的方式功能特点：过零投切，分相补偿，温度保护，缺相保护，过压、欠压保护，谐波功能，智能网络控制，高可靠性，积木结构，接线简单，扩容方便，维护方便，效果显著。
（1）高压集中补偿
电容器组集中装设在企业或地方总压降变电所的6~10kV母线上， 用来提高整个变电所的功率因数，使该变电所的供电范围内无功功率基本平衡，可减少高压线的无功损耗，而且能够提高本变电所的供电电压质量。
（2）分组补偿
将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或厂区等终端变配电所高压或低压母线上。这种补偿方式具有集中补偿相同的优点，仅无功补偿的容量和范围相对小些，但是分组补偿的效果相对明显，采用的也较为普遍。
（3）就地补偿
将电容器或电容器组设在异步电动机或电感性用电设备附近，就地进行无功补偿，也称单独补偿。这种方式既能提高用电设备的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，对中、小型设备十分适用。
6、案例介绍
兴化市某铸钢有限公司，生产现场负载主要是中频炉和生产电机，配电室有1#、2#、3#变压器，容量均为1250kVA。从现场工作人员了解到：无功需求主要由电机产生，1#、2#、3#变其下电机负载基本相同，之前电容柜（补偿形式均为共补）投切过，发生过补偿电容被击穿烧毁的事故，中频炉处于保温状态使，系统的功率因数偏低，已经被供电局罚了很多款项。

 现场测量示意图

公司工作人员在现场正常工况下，对其电能质量进行测量，然后结合现场和对测得数据进行分析，得出主要原因有两个方面：
，原电容柜其下补偿电容未串抗。系统中主要谐波为5、7、11、13次谐波。现场电容柜未串联电抗器，纯电容型无功补偿装置相对谐波电流为低阻抗通道，因此补偿装置易放大谐波电流，严重时甚至可能与系统产生谐振，造成设备损毁，现场补偿电容被烧毁的原因就在于此。
第二，1#变数据中，中频炉刚开启时谐波电流182A，到保温状态，谐波电流250A，约1.3倍；3#变测量数据，两台中频炉启动时谐波电流应该在400A左右，而到保温状态会超过500A，综合考虑治理效果和成本，建议1#变选用300A有源滤波器，3#变选用500A有源滤波器进行谐波治理，减小电网谐波，这样电网谐波对电容柜的冲击也会大大降低。
现考虑电容补偿这部分的整治，由于该系统5次及以上谐波含量较大，建议对电容柜进线改造，串联7%电抗率的电抗（能抑制5次及以上谐波流入电容柜）。
以3#变测量数据为例，在正常工况下（此时负载以全部开启，电容柜未投入），负载有功总功率P约为680kW，功率因数为，若要达到目标功率因数，则需要补偿的无功容量为：

 
由于无功的实际输出和加在电容两端的电压平方成正比：，串抗之后还有一个与电抗率有关的衰减，这样要保证360kvar的实际输出，装机容量则需：

 

 
考虑到电容柜工作时，电容器组能够循环工作，避免所有电容器组满负荷投切，故留有一定裕量，建议变压器低压侧电容柜的装机容量为600kvar。
智能电容配置方案：共补600kvar = 共补50kvar * 12
柜体尺寸：1200（W）*2200（H）*800（D）

智能电容主要器件选型表

 
每一台智能集成电力电容器都可以独立运行，更可以并联组网运行。当组网运行时，智能集成电容器组中会自动生成一台主机控制其他从机进行工作，当主机出现故障时，从机中会再生成一台主机继续控制整个补偿系统；当从机出现故障时，它将自动退运，不影响其它智能集成电力电容器的正常运行。
三、总结
无功补偿是一项建设性的技术措施，对电网安全、经济运行有重要作用。电网和负载的特点选择合理的补偿方式是关键。针对目前电网谐波污染严重的现状，在做无功补偿时一定要选择合适的装置，避免谐振和谐波放大的现象,保证电容电抗的寿命和无功补偿装置的补偿效果，为客户创造价值。

【参考文献】
[1]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
[2]公众号：自动化控制技术控—侯成敬《什么是智能电容器？和普通电容器有什么区别？》