新型防谐型低压无功补偿装置的研制

刘勇浩　陈子辉　徐伟斌　朱文超

摘要：低压公用配电房和配电线路大多安装有低压动态无功补偿装置，但受环境温湿度及谐波影响，补偿装置的控制器、接触器和电容器经常损坏，导致大量低压公用配电房和配电线路的无功补偿装置并未投入运行，因而供电功率因数低下。为节能增效，提高低压公用配电房和配电线路供电功率因数，研制了一种防谐型低压无功补偿装置，以减少补偿装置控制器、接触器和电容器的损坏，提高低压无功补偿装置的使用率。

关键词：低压公用配电房;配电线路;防谐;无功补偿

中图分类号：TM714.3    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）02-0054-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.015

0    引言

目前，低压公用配电房和配电线路大多安装有低压动态无功补偿装置[1]，但补偿装置的控制器、接触器和电容器经常损坏，大量的低压公用配电房和配电线路的无功补偿装置并没有投入运行，导致供电功率因数低下。补偿装置的控制器、接触器和电容器经常损坏，除了环境温湿度影响之外，谐波影响最为严重。

当前电力用户使用了大量非线性负荷，如居民家里用的照明装置很多都会采用LED灯和节能灯，LED的电子开关电源和节能灯都是谐波源，会产生大量高次谐波，这些谐波除了会导致补偿装置的控制器及接触器产生误动和异常过热损坏之外，高次谐波还会对补偿电容器内部产生过电流和过电压损坏。

同时，高次谐波还将消耗大量无功功率，如果无功功率不足，配电变压器的损耗就会增大;配电线路由于线路长，会消耗大量无功功率，而无功功率不足，配电线路的损耗也会增大，终端用户电压就有可能达不到使用要求[2]。

1    事故案例分析

1.1    某生产厂谐波测试报告

2012-08-21T17：46，220 kV某变电站10 kV #1电容器组过流Ⅰ段保护动作，10 kV #1电容器组571DR开关跳闸。经初步分析，认为谐波是造成电容器组损坏的主要原因。2012年8月28日—9月6日，试验班对220 kV某变电站10 kV 1M母线进行了电能质量测试，发现10 kV 1M母线2次、4次谐波电流数值较大。对变电站10 kV 1M母线所供电的10 kV线路逐条进行测试，发现10 kV某Ⅱ线实测数据2次、4次谐波电流较大，其中最大值接近国家标准值;10 kV某线实测谐波数据5次、7次谐波电流超过国家标准值。

2012年9月19日—26日，对10 kV某Ⅱ线、10 kV某线、客户配变进行跟踪测量分析，结果发现10 kV某Ⅱ线供电的某厂产生的4次、5次谐波电流超过国家标准值，且2次谐波电流较大;10 kV某线供电的某厂产生的5次、7次谐波电流超过国家标准值。

1.2    110 kV某变电站#1电容器组故障原因初步分析

2013年，110 kV某变电站10 kV #1电容器组发生不平衡电压跳闸，试验班对#1电容器组进行电气试验，结果发现A相电抗器直流电阻异常变小，阻值为20.04 mΩ，其他两相电抗器阻值分别为B相91.04 mΩ、C相92.71 mΩ，其他常规试验项目正常。判断是A相电抗器匝间短路，需更换。2014年8月—10月，对三相电抗器全部进行更换，串联电抗器由6%改为5%，交接验收合格后，2014年10月30日10 kV #1电容器组投入运行，合闸时又发生不平衡电压跳闸（两次的动作电压都是29 V左右）。

根据跳闸情况以及与设计、制造厂家沟通的情况，为进一步确认高压设备是否处于正常的健康状态，我所对电容器、放电线圈、电抗器、避雷器及高压开关重新进行了绝缘试验，同时对放电线圈进行比差、角差和励磁特性试验。以上全部试验数据正常，初步认为一次设备没有问题。

为分析是否是相间电压或谐波影响导致电容器组电压不平衡动作，我所对以往某站电能质量测试的结果以及跳闸时刻的相间电压和谐波进行了分析。

1.2.1    用户谐波测试的结果分析

2014年9月9日，我所在电能质量干扰源用户普测中发现某站两条10 kV用户专线谐波电流超标。

（1）10 kV 1M母线：10 kV某线路F715，5次、7次谐波电流超标（分别是42.81 A和13.03 A，计算限值分别为5.38 A和4.74 A）。母线谐波电压总畸变率为2.93%（国标4%），三相电压不平衡度和电压偏差由于测试时实际接线方式为V接，未能进行比较。

（2）10 kV 2M母线：10 kV某某线F721，3次、5次、7次谐波电流超标（分别是5.30 A、39.77 A、16.54 A，计算限值分别为4.34 A、4.86 A、4.34 A）。母线谐波电压总畸变率为2.93%（国标4%），三相电压不平衡度为0.42%（国标4%），电压偏差为（+1.14%，-1.49%）（国标±7%）。

1.2.2    跳闸时刻的电压和谐波

根据调度自动化系统记录，当时10 kV 1M及2M并列运行，#2电容器组也正常投入运行，10 kV母线的电能质量情况是一样的。10 kV母线PT监测的是10 kV母线电压情況，而放电线圈监测的是电容器组内部各相电容器的电压，10 kV母线电能质量情况对电容器组不平衡电压跳闸的影响关系还需进一步检测和分析。由于保护提供的信息非常少，甚至没有电压不平衡的具体相别，因此无法准确判断跳闸时的谐波情况，也无法判别是否是合闸电流所产生的电压不平衡。

通过对以上两个事故案例的分析可知，谐波影响导致电容器组电压不平衡动作，是造成电容器组损坏的主要原因。目前低压公用配电房和配电线路大多安装有低压动态无功补偿装置，但补偿装置的控制器、接触器和电容器经常损坏，大量的低压公用配电房和配电线路的无功补偿装置并没有投入运行，导致供电功率因数低下。

2    防谐型低压无功补偿装置设计

为节能增效，提高低压公用配电房和配电线路供电功率因数，计划研制一种防谐型低压无功补偿装置，以减少补偿装置控制器、接触器和电容器的损坏，提高低压无功补偿装置的使用率[3]。

2.1    设计电容控制保护模块

为防止系统外雷电波、系统内电压波动冲击以及谐波干扰，设计控制器保护模块，由避雷器和电容控制保护器组成。避雷器与电容控制保护器并联运行，当作用电压超过一定幅值时避雷器总是先动作，通过它自身泄放掉大量的能量，限制过电压，保护电容控制保护器。电容控制保护器设计原理图如图1所示。

高频情况下感应电流产生的磁场足以抵消线圈的干扰，起到屏蔽的作用，当频率高到一定程度时，感应电流就不再随着频率提高而继续增大。装置含有一种低压磁环（铁氧体抗干扰磁芯），作用为吸收低频信号并将吸收的能量转化成热能耗散掉，在低压无功补偿装置中，低压磁环用于抑制低次谐波干扰信号的通过。

2.2    设计控制器防谐功能

无功补偿控制器采样电压受谐波电压影响，谐波干扰会导致控制器采样信号不稳定，并且控制器也经常受过电压冲击而容易损坏，所以增加防过电压功能和防谐功能加以保护。防谐功能主要是采用电感线圈防谐方式来实现。

2.3    设计电容器防谐功能

防谐装置根据配电房的谐波背景参数进行设计，而配电房的谐波背景参数是根据一年内用电负荷曲线，选择负荷较大的用电时段通过便携式电能质量在线监测装置连续不间断监测获得。一般配电房连续不间断监测1天即24 h，用电负荷变化较大的配电房连续监测7天或1个月。根据不同的谐波含量，设计不同参数的防谐装置。电容器很容易放大谐波电流，从而产生过电流，为此设计了电容电流保护模块，原理图如图2所示。

2.4    设计接触器保护功能

一般而言，配电房白天和晚上负荷相差较大，为此可采用动态无功补偿装置或静态无功补偿装置进行无功补偿，两种装置都可以随着负荷的变动而自动投切电容器。

第一种方案：动态无功补偿装置接触器由主开关和副开关组成，补偿装置不需要即时合分闸，通过设置程序，需要合闸时先通过副开关合闸，之后再合主开关，而需要分闸时又先分开副开关，再分开主开关。主开关是具有可控分合闸功能的空气开关，副开关是具有信号输出功能的复合开关，这样可以延长动态无功补偿装置接触器的使用寿命。

第二种方案：公用配电房和配电线路直接采用静态无功补偿装置，采用大容量接触器，同时搭配防谐器，降低接触器合闸电流。动态无功补偿装置接触器中的元件容易受谐波干扰而损坏，同时叠加的谐波电流也会造成控制器接触点过热烧熔，触点不能分开;而直接采用静态无功补偿装置，采用大容量接触器可避免接触点过热烧熔现象。不过，当负荷处于轻载或空载状态时，控制器将无法投入小容量电容器，难免会导致负荷功率因数偏低。为防止轻载或空载时失去补偿，设计自动补偿模块，设计原理图如图3所示。

2.5    设计过电流保护装置

由于配电线路不断变化，系统参数也在变化，电容器防谐装置需要改变参数，防止谐波放大，同时为防止电容器因过流、过压而损坏，甚至发生爆炸，设计了过电流保护装置，以延长电容器寿命。

3    结语

新型防谐装置具有以下优点：通过防谐装置，防止谐波入侵补偿装置，减少控制器、接触器和电容器的损坏，确保补偿装置正常投运;设计过电流保护装置，防止谐波放大，引起电容器故障甚至爆炸。

[参考文献]

[1] 张一工，肖湘宁.现代电力电子技术原理与应用[M].北京：科学出版社，1999.

[2] 王超.电气自动化中的无功補偿技术分析[J].广西轻工业，2008，24（5）：49-50.

[3] 薛双苓，王磊.试论电气自动化中无功补偿技术的应用[J].科技资讯，2011（29）：156.

收稿日期：2021-09-16

作者简介：刘勇浩（1974—），男，广东江门人，工程师，主要从事电网配电运维工作。