一种带投切保护的并联电容电能质量治理实现方法

谢华 宋子良 杜明坤 李胜利

中车长江铜陵车辆有限公司 安徽铜陵 244142

摘要：在低压供电系统中一般采用常规并联的电容器进行无功补偿时能提高功率因数，但不能根据电压的变化来准确稳定供电系统电压，也不能治理谐波。本文主要论述的是一种带投切保护的并联电容电能质量治理实现方法，该方法能很好的解决低压供电系统中存在的问题，能提高功率因数、降低供电系统中的线损、合理调节末端电压、有效抑制谐波电流、增强供电系统的稳定性和可靠性。

关键字：电容器、功率因素、谐波

1 前言

近年来，随着我国电网建设的加速和节能减排政策的深入，提升配电线路的电能质量成为电网系统中关注和工作的重点。目前大型工厂一般更加关注高压供电系统中的无功功率和节能情况，大多都会加装无功补偿装置来提高功率因数，而低压供电系统存在线损高、功率因数低、末端电压或高或低、谐波污染较重等问题却往往被忽视。本文主要论述的是一种带投切保护的并联电容电能质量治理实现方法，该方法能很好的解决上述低压供电系统中存在的问题，能提高功率因数、降低供电系统中的线损、合理调节末端电压、有效抑制谐波电流、增强供电系统的稳定性和可靠性。

本文主要阐述带投切保护的并联电容电能质量治理装置和方法包含自动分级投切的并联电容器补偿装置、PLC可编程控制器和根据补偿电网电气参数调整并联电容器补偿装置的控制方法。本装置能根据补偿电网无功容量、电压高低来控制并联电容器组的合理投切使功率因数调整到目标值，使电压稳定到设定值；同时可以监测电容器各支路投切开关的使用次数可以给维护人员对设备的维保工作提供参考依据，通过PLC与电容器组无功功率控制器的协同工作，能调节补偿电网的功率因数和电压高低，同时可以监测并联电容器组的投切开关使用情况，能为电网系统增强稳定性、提高可靠性，适应于配电电网无功波动较大、电压变化化较大的低压供电领域。

2 主要解决的技术问题

目前配网低压供电系统电压治理和节能降损，可采取的措施多种多样，也存在局限性。当线路上存在重负荷时（如重载电机、加热炉、电焊机等），会产生谐波污染，使用端功率因数低、末端电压低。在低压供电系统中采用常规并联的电容器进行无功补偿时能提高功率因数，但不能根据电压的变化来准确稳定供电系统电压，也不能治理谐波；采用并联SVG补偿进行无功补偿、能抑制谐波和电压调整，但需要很大的装机容量，投入资金大。SVG是通过调试功率相角电流来控制无功电流流向没有像电容器补偿装置能存储一定电量能提升电压的作用，SVG调整电压的同时又带来功率因数下降和网损增加的问题。

3 技术方案的详细论述

该方法为一种带投切保护的并联电容电能质量治理方案，如主电气拓扑图1所示：主要包括多组并联电容无功补偿组（包含电抗率为7%的电抗器1L至8L、并联补偿电容器1C至8C 、投切开关1KM至8KM）；多组并联单调谐滤波补偿组（包含多组电抗器与电容器组成单调谐的滤波补偿电抗器9L至12L、并联滤波补偿电容器9C至12C、投切开关9KM至12KM）；控制系统（包含人机界面操作屏MC-1，无功功率控制器NOKKF-16-DD，综合控制器ZHKZ-1，功率采集控制器ZCOLL-1）等。

图1 一种新型带投切保护的并联电容电能质量治理装置的电气控制拓扑

3.1 并联无功补偿电容器组

1. 补偿电抗器（电气控制拓扑图中1L至8L）：采用电抗率为7%或12%的箔式绕组铁芯三相电抗器，考虑到电抗与电容组成LC无功补偿装置时会产生共振点，计算LC共振频率 ，方案中采用电抗率为7%的电抗器时，共振点为3.78次，不会以2次和3次谐波放大同时也避开了4次谐波的频率，电源频率为50HZ或是60HZ都适应采用此电抗器。

2. 补偿电容器（电气控制拓扑图中1C至8C）：电抗器串联在电容器组中为限制投切开关接通时生产的冲击电流损坏电容器组，同时也使电容器的端电压会因为串联电抗器而升高，补偿电压为400V根据电压波动±10%计算电压为440V，串联电抗器采用7%电抗率则电补偿电容器端电压为 =473V，方案中选用额定端电压为520V电容器以提高运行可靠性。

3. 投切开关（电气控制拓扑图中KM1至KM8）：采用电容器组专用带限电流电阻丝旁路的接触器，将接通冲击电流限制在可控范围内。

功能总结：本方案中并联无功补偿电容器组主要功能是提高无功功率因数、提高补偿电网电压，在控制系统的指令下能实现调节无功功率因数和稳定电压的作用。

3.2 并联单调谐滤波补偿电容器组

1. 滤波电抗器（电气控制拓扑图中9L至12L）：根据供电电网系统中测试到的谐波电流含量，针对3次、5次、7次和11次谐波电流做滤波处理，电抗器电感率根据 其中 谐波电流频率，为避免LC单调谐滤波补偿电容器与谐波生产共振本方案中将谐波频率 减小5HZ做计算，3次、5次、7次和11次计算得到相关的电感率，额定电流在计算能到额定电流处再加上相应次谐波电流量。

2. 滤波电容器（电气控制拓扑图中9C至12C）：滤波电抗器串联在电容器组中即可以限制投切开关接通时生产的冲击电流损坏电容器组，又能配合电容器对特定次谐波电流进行滤波（本方案是做滤波处理的谐波电流有3次、5次、7次和11次谐波电流），除引外电抗器也使电容器的端电压会因为串联电抗器而升高，谐波电流也能使电容器端电压升高，串联谐波电抗器采用针对3次、5次、7次和11次谐波电流特定电感率，电容器除电抗器对其端电压升高外还考虑到谐波电流对端电压的提升，本滤补偿电容器组中电容器额定电压采用560V滤波电容器、可根据电网系统中谐波电流大小计算提高滤波电容器的额定电压。

3. 投切开关（电气控制拓扑图中KM9至KM12）：采用电容器组专用带限电流电阻丝旁路的接触器，将接通冲击电流限制在可控范围内。

功能总结：本方案中并联单调谐滤波补偿电容器组主要功能是针对特定次谐波电流进行滤波处理减小供电网中谐波电流含量，提供容性无功补偿，在控制系统的指令下能实现对特定次谐波电流滤波处理、提高功率因数的作用。

3.3 控制系统

1. 无功功率控制器（电气控制拓扑图中NOKKF-16-DD）：检测供电网络无功功率运行情况，控制并联无功补偿电容器组的投切动作并将相关数据传送给综合控制器ZHKZ-1。

2. 功率采集控制器（电气控制拓扑图中ZC0LL-1）：采集供电电网电流（三相电流）、电压（三相电压）、各并联电容器组投运电流，判断并联电容器组的运行状态（运行、待机、故障）并将各采集数据传送给综合控制器ZHKZ-1。

3. 综合控制器（电气控制拓扑图中ZHKZ-1）：根据无功无功控制器和功率采集控制器提供的相关数据分析并发给投切指令给无功功率控制器是退出并联无功补偿电容器组，判断投入哪几次单调谐滤波补偿电容器组，判断投切装置是否正常等并将监控信息传送到人机界面MC-1。

4. 人机界面（电气控制拓扑图中MC-1）：为专业人员提供良好的人机交流界面，方便设备的维护控制。

功 能总结：控制系统是本方案可实现的核心部分、能根据各电气数据综合分析系统无功无功情况、供电电网电压情况、供电负载运行情况，判断本方案中投切开关使用情况、电容器组运行情况，综合分析是否切除电容器组、是否能投入滤波电容器等功能。

4 创新点和取得的效益

本文提出的带投切保护的并联电容电能质量治理实现方法的功能特点：

1. 能较快跟踪电网无功、谐波和电压变化，合理投切不同补偿容量的电容器组，设备投资少、损耗低，补偿效果较好。

2. 根据线路无功和电压情况，综合计算采用多组分级投切方式，能提高无功功率因数同时又能增强电压稳定性、能有效减少过电压情况。

3. 控制系统能根据电容组投切装置的使用寿命计算各分组投切装置的使用情况、及时为设备维护人员提供参考依据，能很大程度减少设备因故障而停运的概率。

4. 电容器补偿组中采用不同电抗率的电抗器、控制系统能根据电网中谐波电流情况选择合理电容器组投入运行，能减小谐波电流含量同时又能提高功率因数。

5 总结

该方法使用不同电抗率组电容器补偿，控制系统根据电网功率因数、电压、电流、各次谐波含量合理投切电容器组，计算投切装置的使用情况提供维护数据，相比常规的SVG补偿装置成本要低、稳压效果要好，相比常规的电容器组投切又增加一定谐波功能、考虑功率补偿的同时增加稳定电压的功能且能计算装置的使用寿命方便设备维护。

参考文献：

[1]中国航空规划设计研究总院有限公司，组编.工业与民用供配电设计手册.中国电力出版社.2016

[2]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术.机械工业出版社.2008

[3]张利生.电网无功控制与无功补偿.中国电力出版社.2012

作者简介：谢华（1990—），男，工程师，主要从事技术管理工作。

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