低压抗谐波装置在无功补偿柜上的应用

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摘 要：简述电网谐波的产生对无功补偿柜的影响，提出方案措施，采用滤波式智能低压电力电容组合电器改善用电质量。

关键词：谐波 无功补偿 改善

一、概况

塑料厂塑料制品厂区配电室配有一台800kVA变压器，低压侧采用GCS柜型，无功补偿为一台150Kvar普通电容器柜，内置10路等容量电容器，为接触器和热继电器保护直接投切电容。低压侧所带负荷除电机等感性负载之外，也有直流调速电机和变频器等非线性负载，总的负载功率为600kW左右。生产设备运行后，出现的现象是：配电室电容柜投入后，功率因数无明显改善，投入前功率因数平均为0.62，投入后为0.75左右，并且经常烧熔断器，投入后不久，由于接触器不能保持，电容器组陆续自动切除，并有投切振荡。

通过测试发现在低压系统中存在很大的谐波，基波电压和基波电流波形畸变严重。主要存在5次、7次、9次、11次等奇次谐波，以5次谐波尤为突出。谐波电压达到5%左右，谐波电流达到10%以上；在投入电容器后，系统5次谐波电压达到10%左右，谐波电流达到48%以上，各次谐波均有放大，5次谐波和11次谐波放大非常明显。

二、故障产生的原因

经过现场了解和谐波测试分析后，我们初步得出结论：造成塑料厂低压电容补偿无法正常运行的主要原因有以下几点：

1.本厂低压侧负荷主要是电机等感性负载，但同时使用了一定比例的直流调速电机、变频器等非线性负载，而这几种负荷本身就是谐波源，所以当设备运行时系统中就会产生一定的高次谐波。低压电网为中性点不接地系统，产生的大量谐波由于没有有效的吸收回路，叠加在基波上造成波形畸变，对低压侧设备元件产生诸多影响，如电缆发热、加速设备老化、计量不准确、执行机构触点易烧熔等，严重的当系统工况发生改变时，在某一特定条件下还会产生谐振过电压和谐振过电流。

2.当系统存在一定的高次谐波时，电容器的投入本身会放大系统的某些高次谐波，使系统电压、电流波形畸变更加严重。本厂使用的补偿屏虽然采用了交流接触器、及控制器为执行机构进行电容器投切，但在投切控制方面没有考虑由于谐波因素造成的投切控制条件，并且对电容器投入放大系统谐波没有采取有效的抑制措施，从而在投切控制过程中产生的过电压或过电流很容易烧损熔断器以及交流接触器及热继电器。

3.在系统负荷相对稳定的情况下，无须采用不等容量电容器投切方式。因不等容量的电容器投切要求必须采用带有逻辑分辨能力的控制器，而现有补偿屏所用的控制器不合适，该控制器只能做到最简单的循环投切。

4.现有无功补偿容量设计偏小。根据变压器无功经济运行计算，考虑长期运行负荷调整以及设备老化等因素， 800kVA的变压器应配置240Kvar的无功补偿容量。（详细算法此处不列举，请参看电气计算手册）。

三、制定防范措施和实施效果

1.根据以上的种种现状我们采取以下技术改造措施和方案：

1.1为了消除由于电容器投入所产生的系统谐波放大，就必须要在补偿回路中加入电抗器来抑制谐波放大。

1.2在主电路中的投切元件必须更换。由于系统谐波的存在，会产生一定的高次谐波电压和谐波电流，造成熔断器的烧损。为了减少维护量，将熔断器更换成低压微型断路器，因为断路器的过压过流能力都比保险管要强，而且断路器可重复投入，不容易烧损，无形中也降低了成本。

1.3为了保证电容器正常的投切，必须将投切执行机构更换掉，接触器在有谐波的情况下都不能长时间正常工作，接触器的机械触点也不适合频繁的投切，大电流投切很容易产生拉弧造成烧损或扩大事故。采用国内领先技术——微电子复合开关与专用接触器相结合的复合投切机构。

1.4为了提升功率因数，还须加大补偿容量，在对配电室无功补偿进行分析后，发现电容补偿容量都偏小，设计时考虑不足，没有考虑到系统实际情况和元件老化问题，由于该系统实际电压偏高，电容器都是按照0.4kV设计的补偿容量，应用时都改成0.45kV的电容器，以考虑额定电压提高后的容量补充。

1.5根据以上几点要求，塑料厂采用江苏现代电力电容器有限公司的TDS-1612滤波式智能低压电力电容组合电器，该产品由智能组件、零投切开关电器组件、电流取样、温度取样、干式串联电抗器和干式低压电力电容器等元部件组成，它主要应用于谐波十分严重场合的无功补偿，能够可靠运行，不会产生谐振，对谐波无放大作用，并在一定程度上有吸收消除谐波的功能。其中串接电抗率7%电抗器的产品使用于主要谐波为5次和7次的电气环境里中的谐波。具体应用电路见图1。

主电路采用六组滤波式智能低压电力电容组合电器，图中UA、UB、UC、UN三相四线，接至配电室0.4kV母线上。QC为补偿柜主断路器，AZ为综合测控装置，也就是控制器。CA1— CA6为滤波式智能低压电力电容组合电器。回路中通过采样环节TA将系统电流模拟量送入控制器，控制器提取无功分量Q，经A/D转换、比较，由控制器发出控制指令给滤波式低压电力电容器。在电力电容器组投入或切除的瞬间，微电子的复合开关先导通，在微电子的复合开关导通以后，接触器吸合或断开。这样既避免了直接使用接触器涌流大，过电压的缺点，又利用了接触器导通期间主触点无功耗、发热小的优点。

当无功功率Q增加或减少到电容器第一级门限时，控制器发出第一级电容器投入或切除指令，让第一组电容器投入或切除。当无功功率Q增加或减少到电容器组第N级门限时，控制器发出投入或切除N组电容器指令，让N组电容器投入或切除。

低压抗谐波无功补偿采用调谐电抗器与抗谐波电容器串联的方法，吸收较低次的谐波，从而减轻谐波电流对电容器的损害。

2.应用后效果

2.1采用滤波式智能低压电力电容组合电器消除了用电设备产生的高次谐波对电网的污染，改造后经监测，奇次谐波减弱。

2.2利用无功补偿柜电气回路抑制了高次谐波的产生，不再出现电容器、接触器及热继电器等器件烧损。另外节省连接导线80%以上，降低器件能耗、导线能耗和接点能耗80%以上。节省了检维修费用开支。过去每年更换元器件的检维修费用每年都在1.5万元左右，并且这个费用每年都在产生。改造后近两年未发生一笔费用。

2.3应用后无功补偿柜功率因数由过去的0.5-0.6提高为0.93-0.95以上。依据计量比对，开单机情况，每月可节约用电2.13万度电，年节约用电25.56万度电。每度电不含税价0.44元，年节约电费11.25万元。

2.4用滤波式智能低压电力电容组合电器，系统故障自诊断功能强，提高了维修人员现场故障判断和处理效率。

四、结论

通过更换无功补偿柜内的电力电容器，使用滤波式智能低压电力电容组合电器，提高了功率因数，降低了线损，使0.4kV低压电网高效节能。它的智能检测单元、微电子的复合开关、线路保护单元、抗谐波元器件的组合，替代了常规控制器和电容器。它不但体积小，功耗低，节约成本，使用更灵活，维护更加方便，使用寿命更长，可靠性更高，适应了现代电网对无功补偿的更高要求。无功补偿对改善电能质量起着重要的作用，但传统的并联电容器补偿装置，在谐波严重的地方有可能对谐波起放大作用，甚至产生谐振。考虑利用现代电网和电子技术，应用纯数字控制的混合型有源滤波器，消除大量非线性负载产生的动态谐波。提高电能质量，扩大控制区域范围，提高无功补偿设备的应用水平有重大意义。

参考文献

[1] 陈继承、 钱照明、 吕征宇 大容量并联混合电力有源滤波器设计（J）.

[2] 金百荣、李电、谢锡华 绍兴电网谐波特点与并补装置电抗率选择（J）.