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    隨著國家經濟的發展和人民生活水平的提高，大量的居住樓盤、高檔商場、賓館、辦公樓等民用建筑在城市中拔地而起，使城市用電量快速增長。但是，在這些民用建筑場所內使用的多為單相電感性負荷，因其自身功率因數較低，在電網中滯后無功功率的比重較大。為保證降低電網中的無功功率，提高功率因數，保證有功功率的充分利用，提高系統的供電效率和電壓質量，減少線路損耗，降低配電線路的成本，節約電能，通常在低壓供配電系統中裝設電容器無功補償裝置。本文主要通過工作中所遇到的實際情況對無功自動補償的方式作出了分析和比較。

1  低壓無功補償裝置的作用

    (1)  提高電網及負載的功率因數，降低設備所需容量，減少不必要的損耗。
    (2)  穩定電網電壓，提高電網質量。而在長距離輸電線路中安裝合適的無功補償裝置可提高系統的穩定性及輸電能力。
    (3)  在三相負載不平衡的場合，可對三相視在功率起到平衡作用。

2  低壓無功補償裝置的控制條件

    舊型號裝置多選用cosφ為檢測量，然而cosφ并不能準確地反映電網中無功分量大小。在重載時，雖然無功分量大，但由于在總負荷中占比重小，cosφ也較小，甚至低于系統補償的整定值，使控制裝置作出不補償的決定；在輕載時，無功分量不大，但功率因素有可能大，使控制裝置作出補償的決定，投入后造成過補，又要切除電容造成投切振蕩。故新型的控制器已不再選用cosφ為單一的控制檢測量，主要的控制條件如下：

    (1)  功率因數控制，小電流閉鎖。
    (2)  功率因數控制無功功率或無功電流限制。
    (3)  無功功率或無功電流控制。
    (4)  電壓、無功綜合控制。

    在以上條件中，對于cosφ作為檢測量的加入限制措施，另有一新型裝置是以無功電流（無功功率）作為檢測物理量的，它們直接檢測負荷側的無功電流，根據其大小，計算系統應該投入補償的電容量，再與裝置自身所帶的電容量和級數相比較，得出正確的組合投切方案，采用開環控制，依次投切補償電容進入電網。這種投切電容器控制策略尤其適合于分相補償和幅度變化緩慢的負荷。

3  無功補償裝置的補償方式

根據不同的控制方式，主要有以下幾種補償方式：

(1)  動態補償

    采用動態補償的裝置其動態特性應滿足脈沖式無功負荷快速、頻繁動作的補償要求。

(2)  靜態補償

    適合對固定或緩慢變化的無功負荷進行補償。

(3)  三相補償

    適合于三相相對平衡的無功負荷進行補償。

(4)  分相補償

    適合于三相不平衡無功負荷進行補償。

    由于低壓配電網絡三相不平衡，因此供電部門應采用三相補償（共補）和分相補償（分補）相結合的裝置，對于普通民用負荷和商業負荷，可采用較為遲鈍的滯后控制策略，減少超調，以免頻繁投切電容器，影響電網和用戶設備的安全運行，對于有大的沖擊性負荷的工業用戶，可應用靈敏的動態補償裝置。

4  無功補償控制器

    無功功率補償控制器，即無功補償裝置的指揮系統，它首先要對電網的電壓、電流量進行采集，通過中央處理器的快速運算，得到電網的有功功率、無功功率、無功電流、功率因數等參數，經計算再根據參數設定值發出投切指令，控制投切開關的動作，從而控制電容器組的投切。同時采樣方式的選擇、參數的設定、裝置器件的保護等均通過控制器來實現。

控制器除具有無功補償功能以及過壓、過流、失壓、斷相、過熱保護功能外，還具有以下一些功能：

    •  測量功能：可實時監測三相電壓、電流、功率因數、無功功率、投切等情況。
    •  查詢功能：可現場或短距離查詢三相電壓、電流、功率因數、無功功率、投切狀態、高次諧波分量等數據。
    •  數據通信：裝置上設有RS-232通訊接口或無線通訊接口，可以擴展通訊功能。
    •  投切方式：具有手動與自動的投切功能。
    •  斷電保護：當變壓器出現停電的情況時，本裝置可以有效的保護數據，不至于丟失。
    •  斷電恢復：當變壓器恢復送電時，本裝置可自動地恢復到停電前的狀態運行。
    •  諧波保護：當測量的諧波分量不在設定的限值內，電容將不投入或者陸續退出運行。
    •  數據紀錄：至少可記錄45天各相整點時刻的電壓、電流、功率因數、無功功率、投切等情況，各天的電壓峰谷值及出現時間、電流峰谷值及出現時間、有功功率峰谷值及出現時間、無功功率峰谷值及出現時間、每天電容器組的投切等情況等。
    •  人機對話：控制器界面設計友好，投運前用戶可以預先設置投入門限、切除門限、過壓值、欠壓值、延時時間及互感器變比等參數，同時也可通過面板進行數據的查詢。
    •  配套分析軟件進行分析：可計算電壓合格率、三相電流不平衡率等。查詢任意時段參數；繪制各相電壓、電流、功率因數、無功功率、有功功率等曲線圖；能打印分析曲線及統計報表。

5  投切開關電器

    投切開關是低壓無功補償裝置中最容易損壞的關鍵元器件，在《低壓并聯電容器裝置訂貨技術》中對開關有以下描述：

    •  對于半導體開關電器，其達零電壓不大于15V，投入涌流（峰值）不大于1.5倍單組電容器額定電流。
    •  對于機械開關電器，主觸點應帶有抑制涌流的過渡電阻，投入涌流（峰值）不大于10倍單組電容器額定電流。
    •  以上元器件，其額定工作電流（有效值）應不小于2倍單組電容器額定電流。
    
    (1)  第一代的低壓無功補償裝置采用普通交流接觸器作為并聯電容器的投切開關，其缺點是：

    ①  投入電容時產生倍數較高的涌流，容易在接觸器的觸點處產生火花，燒損觸頭。
    ②  切斷電容時，容易粘住觸頭，造成拉不開。
    ③  涌流過大對電容器本身有害，會影響使用壽命。

    因為電容器投入電網的瞬間，其初始態端電壓為零，一下子投入電網中，將造成巨大的浪涌電流，可以為器件額定電流的數十至百倍以上，因此導致交流接觸器和電容器本身受到大電流沖擊而損壞。

其后發展的帶預投電阻的CJ19型電力電容專用接觸器，其浪涌電流仍為電容器額定電流的9~10倍。

    (2)  第二代低壓無功補償裝置采用雙向可控硅（晶閘管）、固態繼電器來投切電容器，它們是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件。

    優點：過零觸發，無拉弧，動作時間短，可大幅度地限制電容器合閘涌流，特別適合于頻繁投切的場合。

缺點：

    ①  雙向晶閘管成本高。
    ②  晶閘管開關電路在運行時比交流接觸器有較大的壓降，運行中的電能損耗和發熱問題不可忽視。一般晶閘管在運行時有1V的壓差，如投入15kvar的電容器（電流為21.7A），則損耗的功率為P=3×1×21.7=65W，假設60kvar的無功補償電容柜全部投入運行，則P損耗=260W，以平均每天投運8小時，則耗電量為2.08kWh，有功損耗的發熱量還會增加整個補償裝置的溫升，這樣會影響電子元器件（包括電容）的使用壽命，因此這類型產品一般加裝軸流風機和大面積的散熱板以利于散熱。
    ③  晶閘管電路本身也是諧波源，晶閘管在過零時有一個死區電壓造成電壓電流的不連續性，產生諧波。
    ④  晶閘管對過載有較大的敏感性，必須用快速熔斷器進行保護，而且其負載特性與環境溫度成明顯反比，溫度升高，負載能力將迅速下降。

(3)  第三代低壓無功補償裝置采用復合開關。

    基本工作原理是將可控硅與接觸器并接，使復合開關在接通和斷開的瞬間具有可控硅過零投切的優點，而在正常接通期間又具有接觸器無功耗的優點。產品主要具有以下技術特點：

①  過零投切

    復合開關的基本工作原理是將可控硅開關與磁保持繼電器并接，實現電壓過零導通和電流過零切斷，使復合開關在接通和斷開的瞬間具有可控硅開關的優點，而在正常接通期間又具有接觸器開關無功耗的優點。其實現方法是：投入時是在電壓過零瞬間可控硅先過零觸發，穩定后再將磁保持繼電器吸合導通，由于在此之前觸點兩端已有可控硅處于導通態，因此繼電器的觸點間電壓僅為可控硅的導通電壓1V左右，所以繼電器觸點幾乎是處于空載操作，而不會產生觸點火花使觸點受損，當繼電器接入后一段時間，可控硅退出運行，此后的穩定工作狀態由繼電器來承擔，因此不會如可控硅導通時那樣產生諧波和熱量；而切出時是先將磁保持繼電器斷開，可控硅延時過零斷開，從而實現電流過零切除。

②  采用單片機控制投切并智能監控可控硅、磁保持繼電器以及輸入電源和負載的運行狀況，從而具備完善的保護功能。

    •  電壓故障缺相保護：系統電壓缺相供電時，開關拒絕閉合；接通后若出現缺相則自動退投；
    •  電源電壓缺相保護：工作電源缺相供電時，開關拒絕閉合；接通后若出現缺相則自動退投；
    •  自診斷故障保護：系統自動監控可控硅、磁保持繼電器的運行狀態，若其出現故障，則拒絕閉合或自動退投斷開；
    •  空載保護：未接負載時開關拒絕閉合；
    •  停電保護：接通后遇突然停電時，自動跳閘斷開。

③  無諧波注入

    由于導通瞬間是由可控硅過零觸發，延時后由繼電器吸合、導通，而繼電器吸合導通就不會產生諧波。

④  功耗小

    由于采用了磁保持繼電器，控制裝置只在投切動作瞬間耗電，平時不耗電；且由于磁保持繼電器的接觸電阻小，因而不發熱，這樣就不用外加散熱片或風扇，降低了成本。徹底避免了可控硅的燒毀現象，同時也對同機運行的其它電器不造成危害，真正達到了節能降耗的目的。

⑤  輸入信號與復合開關光電隔離

抗干擾能力強，工作安全可靠。

6  低壓無功補償裝置的安裝補償方式

    0.4kV電網利用并聯電容器進行無功補償的方式有集中補償，分散補償（分組補償）和用戶終端補償三種。

6.1  集中補償

    這種方式是將電容器組裝在配電變壓器或配電室的低壓母線上，宜采用箱式或柜式戶內裝置，其優點是：

    (1) 可以就地補償變壓器的無功功率損耗，由于減少了變壓器的無功電流，相應地減少了變壓器容量，即可增加變壓器所帶的有功負荷。
    (2) 可以就近供應380V配電線路的前段部分及所帶用電設備的無功功率損耗。
    (3) 便于集中控制。
缺點是不能減少用戶內部通過配電線路向用電設備輸送無功功率所造成的損耗。

6.2  分組補償

    這種補償方式是將電容器直接與低壓干線相聯接，形成低壓電網內部的多組分散補償，這種方式是被補償的無功功率，不再通過主干線以上線路輸送，從而使變壓器和配電主干線路的無功功率損耗相應地減少，因此分組補償比集中補償降損節能效益顯著，尤其是當用電負荷點較多，而且距離較遠時，補償效率更高。

    優點：有利于對配電變壓器所帶的無功負荷進行分區控制，實現無功功率就地平衡，減少無功功率在配變變壓器以下配電線路中的流動，使線損顯著降低。一般采用箱式戶外裝置。

    缺點：分組補償方式的一次性投資大于集中補償方式。

    對于分組補償的位置，一般資料介紹是補償地點應距線路端為線路全長2/3處，事實上，根據無功潮流分布圖和極值方法得知：在無功負荷是沿線路均勻分布的條件下，單點補償的最佳位置是位于距線路首端為線路全長2/3處，補償容量為全線所需無功容量的2/3，此時線損下降值達到最大為88.9%。

    而如果采用兩點補償，則第一補償點應在距首端2/5處，第二補償點在距首端4/5處，兩處的補償容量為2/5倍線路所需無功容量，此時線損下降值為96%。而在實際上，無功負荷并非沿線路均勻分布，此計算結果只能作為參考。

6.3  低壓用戶終端補償

    這種補償方式是直接將補償電容器與用戶終端相連接，進行低壓負荷的直接就地補償，如在住宅樓配電箱進線處或集中抄表的隔離開關箱處進行補償，這種補償方式使無功功率不在住宅樓以外的低壓配電網干線/支線上流動，使低壓配電網線路上的無功功率損耗降到最小，達到最佳的補償效果。一般采用箱式戶外裝置。

優點：用戶無功功率就地補償，使無功功率不在低壓配電網干線上流動，達到最好的降損效果。

缺點：投資大，裝置維護復雜。

    由于低壓用戶終端的負荷、波動幅度大，而且負荷容量較少，因此必須采用分相補償和不同的無功電容投切策略，而且低壓終端無功電容補償裝置安裝分散，沒有專人管理，因此，這類型裝置必須有以下特點：

    (1) 控制保護功能齊，抗干擾能力強，裝置運行穩定，少維護或免維護。
    (2) 體積小，不發熱，適于在小空間范圍內掛墻安裝。
    (3) 造價低，由于低壓終端補償裝置的用量較大，只有投資合理，才具有大規模推廣的前提條件。

7  低壓無功補償裝置的發展方向

    由于各地電網質量的復雜性，無功投切的條件不能滿足現在的需要，同時數據的抄取也相當的落后，隨著電子技術和通信技術的不斷發展，投切的條件將向著自動識別負荷情況，制定合適的判斷限值，而測量的數據也可通過先進的無線通信方式進行遠程抄取，例如CDMA、GSM、GPRS、通信電纜以及光纖等。展現在人們面前的就是一個完美的配網自動化，值班人員可實時了解現場運行線路的負荷情況、電容的投切情況以及出現的故障，及時作出搶修措施和電網優化方案。

8  結語

    在0.4kV配電網絡上進行無功補償見效快，投資少。供電部門應根據實際用電負荷情況選擇補償方式，并將集中補償、分組補償和用戶終端補償三者結合起來，全盤考慮，采用相對應合適容量的低壓無功補償裝置，這樣才能取得滿意的降損效果。