基于智能电容器的无功补偿装置节能效果研究与分析

摘 要：本文在对无功补偿装置的节能效果进行分析的基础上，针对传统低压无功补偿装置使用中存在的问题，提出采用智能电容器来提高无功补偿装置性能，以应对新能源发电和非线性负载接入电网所产生的谐波等问题。

关键词：无功补偿；智能电容器；节能

—、前言

为了提高电能的使用效率，较大限度地利用发电机的容量，减少线损，推广无功补偿装置是国家节能工程之一电机系统节能工程的重要内容。*公司明确要求，“电力系统配置的无功补偿装置应能保证在系统有功负荷高峰和负荷低谷运行方式下，分（电压）层和分（供电）区的无功平衡。”电力用户应根据其负荷特点，合理配置无功补偿装置，要求100KVA及以上高压供电的电力用户，在用户高峰负荷时变压器高压侧功率因数不低于0.95。为了满足上述要求，绝大多数工矿企业均配置了无功补偿装置对无功功率进行补偿。

二、无功补偿装置的配置与节能效果分析

低压配电网的无功补偿以配电变压器低压侧集中补偿为主，高压补偿为辅。无功补偿装置容量可按变压器大负载率为75%，负荷自然功率因数为0.85考虑，补偿到变压器较大,负荷时其高压侧功率因数不低于0.95，或按照变压器容量的20%〜40%进行配置。

设配电变压器向负荷输送的有功功率为定值P，电压为额定电压U，可导出线路的功率损耗与功率因数的关系如式（1），其曲线如图1所示。

△P%=（1/cos²φ-1）**（1）

从图中不难看出，功率因数从1降低到0.95时，线路损耗将增加10.8%；功率因数从1降低到0.6时，线路损耗增加177.8%。反之，在线路中增加无功补偿装置，将使线路的损耗减少。如将功率因数从不同的值提高到0.95，可导出线路的功率损耗率与功率因数的关系如式（2）,其曲线如图2所示。

△P%=[1-(cosφ/0.95) ²]**（2）

由图可以看出，功率因数从0.6上升到0.95时，线路损耗将减少60.1%，功率因数从0.9上升到0.95时，线路损耗将减少10.2%。

三、无功补偿装置存在的问题及智能电容器的应用

在实际供电系统中，由于受使用环境如工作电压、温度、海拔以及谐波的影响，无功补偿装置运行过程中往往存在一些问题：1、按系统容量要求计算、设计的补偿装置运行中岀现支路断路器过载跳闸，甚至断路器合不上闸的故障；2、补偿装置投运一段时间后，补偿容量出现下降的问题；3、自愈式电容器自愈失效，内部产生气体而使电容器内外压差变大引起电容器爆炸；4、电容器的寿命缩短，达不到厂家说明书的要求。这些现象的出现，原因是多方面的。除了电容器本身质量等因素外，使用环节的问题也不容忽视。

随着技术的发展，无功补偿装置釆用的电容器已用自愈式电容器代替油浸式纸介电容器。而智能电容器作为一种集成了现代测控、电力电子、网络通讯、自动控制、新型绝缘材料等先进技术的新产品将具有良好的推广应用前景，使基于智能电容器的新一代低压无功补偿设备具有补偿效果好，体积小，功耗低，现场接线简单、使用灵活、维护方便、使用寿命长、可靠性高、可标准化生产的特点。

智能电容器釆用模块化设计，其组成框图如图3所示：

与传统无功补偿装置比较，釆用智能电容器的无功补偿装置，具有如下特点：

3.1由于智能电容器集成了保护、控制、通信功能模块，因此智能电容器可单台使用，多台联网使用就能实现无功补偿容量的扩充。克服了传统无功补偿装置由于补偿控制器损坏则只能手动控制、个别电容器质量问题引起整机停机等缺点。

3.2自愈式电容器内置温度传感器，可以及时发现电容器内部可能出现的过热问题，实现过温报警、保护。据德国史泰拿公司的资料表明，金属化膜的介电强度随温度升高而下降，85℃时介电强度降低至室温下的77%〜87%。此外，由于高原地区空气密度下降，使电容器的散热效果变差，过高的温度将大大加快绝缘材料老化速度，降低其使用寿命。生产地与使用地的不同海拔造成电容器在高原地区使用时内外压差增加，易引起电容器出现鼓包现象。因此，电容器工作温度的有效监测及保护对延长其使用寿命的作用十分有效。

3.3智能电容器内投切开关模块将不再以机械式接触器作为投切电容器的手段，而是由晶闸管及保护电路、磁保持继电器、过零触发导通电路构成，实现电容器“过零投切”，使电容器投切过程无涌流冲击，无操作过电压。据有关统计资料，由于釆用过零投切，减少了过电压对电容器的冲击，电容器的使用寿命可延长2~3倍。

3.4智能电容器具有过压、欠压、缺相、过流、谐波畸变率保护等功能，在故障发生时能自动退出运行，实现主动保护，在故障解除后，自动恢复工作，与仅靠熔丝保护(内部保护)和断路器保护相比其可靠性有质的提升。例如研究认为，当电容器的工作电压超过额定电压15%时，其寿命就可以缩短到运行于额定电压时的35%左右。因此，严格限制电容器运行电压，是保证其运行的重要措施。

3.5在电容器的投切方式上：可釆用直接投切，循环投切和积分运算方法投切等多种方式，既保证补偿效果，又减少投切次数，避免不必要的投切。如果以无功功率为控制量，釆用无功潮流预测和延时多点采样技术，可确保投切无振荡。

四、谐波对无功补偿装置的影响及对策

由于风电机组、光伏电站等新能源电源以及各种非线性负载的接入，谐波对电网供电质量的影响日益突出。仅就谐波来说，当系统中谐波总畸变率THD_V≤5%时，系统中设备基本能维持运行，因此，国家标准规定380V电压等级的谐波总畸变率限值为5%气当5%<THD_v≤10%时，敏感设备将出现故障；当THD_v>10%时，大部分设备将出现故障。因此，一方面，各国标准对电网谐波提出了限值，如美国标准IEEE519,英国工程导则G5/3及之后的G5/4，欧洲标准IEC1000-2-2等。另一方面，谐波的产生又不可避免。因此，应根据电网谐波的情况，研究谐波对电容器的影响（如温升），以选择合适的无功补偿方案。

在既有的系统中，可以采用FlukeF434/F433等三相电能质量分析仪对供电网络进行测试。这类设备一般可输入4个电压和电流（3相+中性点）值，测量电压和电流真有效值和峰值、频率、骤降和骤升、瞬态尖峰脉冲、功率和功耗、谐波、间谐波、闪变和三相不平衡度等。分析高达50次的谐波，并根据IEC标准的要求测量和记录谐波总畸变率（THD）。 数据文件还可传输到PC，利用FlukeView软件做进一步的分析。根据分析的结果确定相应的无功补偿方案。

在新设计的系统中，可根据产生谐波的设备总容量Sn与电源变压器容量So的比值来确定无功补偿方案。同时还要考虑由于为了提高无功补偿装置耐受谐波的能力而串联电抗器引起的电容器运行电压升高。可遵循的规则是：当Sn≤10%So时，可使用额定电压等级的电容器构成无功补偿装置；当lO%So<Sn<2O%So时，应使用比电源额定电压高10%电容器构成无功补偿装置；当Sn≥20%So时，应使用电容器串联电抗器方式，对谐波分量进行制止，使之在1.1倍的电容器额定电压的情况下，谐波量不使电容器的电流大于其额定电流的1.3倍。此外，当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用（谐振），危及电容器本身和其他电气设备的，此时应采取滤波、或限制电容器组的投入容量来避免。

五、安科瑞智能电容器产品介绍

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。

六、结束语

有效且较大限度的利用能源是有价值的资源。无功补偿装置的节电效果主要是提高电能的使用效率。为了适应各种新能源发电设备接入电网的要求，无功补偿装置也面临新的挑战。提高其智能化水平无疑是一种有效的途径。

【参考文献】

• 谢国政，张恒，宋露.基于智能电容器的无功补偿装置研究[J].中国学术期刊1994-2020
• *公司电力系统无功补偿配置技术原则.北京：国家淡忘公司，2004
• 安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版
• 安科瑞电能质量监测与治理选型手册.2019.11版