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博客

无功补偿装置的发展现状

已有 301 次阅读2014-12-27 11:06

在10KV以上的电网中,出于注重安全的原因,很少使用自动无功补偿装置。另外,由于无功尽量就地补偿的原则,低压自动无功补偿装置(以下简称补偿装置)获得了广泛的应用,并不断的有新技术涌现出来,是一个百花齐放的局面。鉴于这样的局面,本文不可能面面俱到,只能略述梗概。 除了极少数试验型的STATCOM装置外,补偿装置绝大部分都是使用并联电容器进行补偿的。因此,本文只讨论使用并联电容器的补偿装置。

一, 以电容器连接方式为出发点的补偿装置分类:

1,三相电容器同时投切型补偿装置。这类补偿装置中使用三相电力电容器,通过检测某一相的电流来进行计算并控制电容器的投入数量来达到补偿目的。由于电容器对三相提供的无功电流相等,因此这类补偿装置只适用于三相电流基本平衡的负荷情况。当负荷的三相电流不平衡时,不能够使三相均得到良好的补偿,可能有某一相过补偿,有某一相欠补偿。此类补偿装置由于结构简单价格低廉而用量最大。

2,单相电容器分相投切型补偿装置。这类补偿装置中使用单相电力电容器,通过检测三相电流来进行分别计算并控制各相电容器的投入数量来达到补偿目的,相当于3台单相补偿装置。这类补偿装置可以使各相的无功电流均获得良好的补偿,但是对不平衡有功电流无能为力。用于三相电流不平衡的负荷情况时,比三相电容器同时投切型补偿装置的效果好。此类补偿装置由于结构比较复杂,价格较高,使用量较少。

   3,调整不平衡电流型补偿装置。这类装置中使用单相电力电容器,通过检测三相电流来进行综合计算并控制各相电容器的投入方式和数量来达到补偿和调整不平衡电流的目的。与分相补偿装置不同的是,这类补偿装置利用了在相间跨接的电容器可以在相间转移有功电流的原理,通过在各相与相之间及各相与零线之间接入不同数量电容器的方法,不但可以使各相的无功电流均获得良好的补偿,还可以将三相间的不平衡有功电流调整至平衡。这类补偿装置用于三相电流不平衡的负荷情况时,具有无与伦比的使用效果。此类补偿装置结构比较复杂,价格较高,由于是新技术所以使用量较少,但是必然会替代单相电容器分相投切型补偿装置。

   二,以电容器的控制投入方式为出发点的补偿装置分类:

   1,交流接触器控制投入型补偿装置。由于电容器是电压不能瞬变的器件,因此电容器投入时会形成很大的涌流,涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流。涌流会对电网产生不利的干扰,也会降低电容器的使用寿命。为了降低涌流,现在大部分补偿装置使用电容器投切专用

接触器,这种接触器有1组串联限流电阻与主触头并联的辅助触头,在接触器吸合的过程中,辅助触头首先接通,使电容器通过限流电阻接入电路进行预充电,然后主触头接通将电容器正常接入电路,通过这种方式可以将涌流限制在电容器额定电流的20倍以下。 此类补偿装置价格低廉,可靠性较高,应用最为普遍。由于交流接触器的触头寿命有限,不适合频繁投切,因此这类补偿装置不适用频繁变化的负荷情况。

   2,晶闸管控制投入型补偿装置。这类补偿装置就是SVC分类中的TSC子类。由于晶闸管很容易受涌流的冲击而损坏,因此晶闸管必须过零触发,就是当晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号。过零触发技术可以实现无涌流投入电容器,另外由于晶闸管的触发次数没有限制,可以实现准动态补偿(响应时间在毫秒级),因此适用于电容器的频繁投切,非常适用于频繁变化的负荷情况。晶闸管导通电压降约为1V左右,损耗很大(以额定容量100Kvar的补偿装置为例,每相额定电流约为145A,则晶闸管额定导通损耗为145×1×3=435W),必须使用大面积的散热片并使 用通风扇。晶闸管对电压变化率(dv/dt)非常敏感,遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况很容易误导通而被涌流损坏,即使安装避雷器也无济于事,因为避雷器只能限制电压的峰值,并不能降低电压变化率。此类补偿装置结构复杂,价格高,可靠性差,损耗大,除了负荷频繁变化的场合,在其余场合几乎没有使用价值。

   3,复合开关控制投入型补偿装置。所谓复合开关实际是晶闸管与机械开关的并联组合。在投入电容器的过程中,首先使用晶闸管过零触发来实现电容器的无涌流投入,然后接通机械开关来保持电容器的连续运行,这样就避免了入电容器时的涌流,又避免了晶闸管连续运行时的损耗。在切除电容器的过程中,首先发出触发信号使晶闸管导通,然后断开机械开关,最后撤销触发信号使晶闸管电流过零关断,这样就避免了机械开关断开时的电弧,提高了机械开关的寿命。机械开关可以使用交流接触器也可以使用磁保持继电器,相比之下使用磁保持继电器的效果更好,因为磁保持继电器只有在接通或者断开瞬间控制线圈耗电,其余时间控制线圈不耗电,因此可以使补偿装置的自耗电降至最小。虽然复合开关中的晶闸管只在接通与断开电容器的瞬间使用,损耗很小,无须散热片,但是晶闸管对电压变化率的仍然敏感。由于复合开关中的晶闸管只是瞬间使用,这就为采取手段避免电压变化率导致问题提供了一定的空间,因此复合开关的结构设计是可靠性的关键。由于复合开关面世时间不长,还没有形成统一的设计标准,目前市场上的产品良莠不齐,有的产品质量不错,而有的产品可靠性极差,经过一个雨季几乎大部分损坏。

   复合开关是晶闸管与机械开关的组合,因此仍然不适用于频繁投切。此外复合开关结构复杂,价格较高。由于电子器件的价格逐年下降,可以预见:使用磁保持继电器的复合开关必将替代交流接触器。

   三,补偿装置中使用的电力电容器

   现在补偿装置中使用的低压电力电容器均为金属化电容器。金属化电容器体积小,价格低廉,具有自愈性,因此获得广泛的应用。金属化电容器的极板是真空蒸发的铝膜,其厚度在纳米数量级,由于铝膜极薄,当介质膜由于疵点而发生局部击穿时会将疵点及附近的铝膜蒸发掉,因此不会发生短路故障,这就是所谓的自愈作用。 金属化电容器的电极引出工艺是在芯元件卷制完成以后在元件两端喷涂金属导电层,然后在导电层上焊接引出导线。由于极板电流要由元件中部向两端流动,而极板的铝膜极薄,电阻损耗较大,因此从尽量减少电阻损耗的前提下希望芯元件尽量卷制成短粗形。另一方面,由于极薄的铝膜极板并没有多少机械强度,因此芯元件端部导电层与极板之间并不能形成牢固的连接,当芯元件由于发热而出现不均匀变形时,端部导电层与极板之间很容易形成局部脱离而出现故障,从这一点出发,又希望芯元件尽量卷制成细长形。 金属化电力电容器有矩形和圆柱形两种结构。矩形结构的电容器内部的芯元件细长并排排列,适用于普通应用场合。圆柱形结构的电容器内部的芯元件短粗串列排列,适用于谐波较严重的场合。金属化电容器在运行中出现的问题主要是电容量减小,所有的金属化电容器随着运行时间的延长电容量都会由于自愈过程而减小,只不过程度有所不同。有些质量较差的电容器还会出现端部导电层与极板脱离的故障,其现象表现为电容量降低为额定值的一半,甚至三分之,甚至为零。同一品牌的电容器,单台容量越大,则其芯元件越长,直径越粗,元件长导致电阻损耗增大,元件粗则端面导电层面积大且元件内外温差加大使导电层越容易与极板发生脱离,因此使用单台大容量电容器不如使用小电容器并联的可靠性高。金属化电容器的短路与爆炸故障较少。


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