一种低压无功自动补偿装置的设计

徐凤侠

安徽路港工程有限公司 港航设计院 , 安徽 合肥 230601

摘 要

本文详细阐述了无功补偿对电网性能的改善，研究了相关电力行业标准及设计手册，对补偿装置容量的取值、电容器分组容量划分、配套电器的选择给出了经验值和计算公式。

该装置采用DSP处理器，结合高精度A/D芯片和GPRS、以太网等通讯技术，以定时的电网监测数据为依据，以低压网(660V、380V)的无功补偿为对象，跟踪电网无功功率的变化并自动补偿,实现了无功补偿装置的优化运行,具有体积小、原理简单、智能投切等优点。

关键词：无功补偿，功率因数，电压降，遥控

正文

一 无功补偿的意义

补偿无功功率，就是提高微电网的功率因数，这等同于提高微电网的效率，降低变压器的负荷，减少变压器的损耗。通过无功补偿能降低电网中的功率损耗和电能损失；可以减少微电网的线路损耗，直接降低电能消耗，减少用电成本；能改善电能质量，提高用电设备的工作效率和降低故障率。减小变压器等设备的投入，节省投资。微电网的功率因数提高以后，微电网的负载就降低，同样的变压器，可以给更多的设备供电，这就减少变电设备的投入，间接提高经济效益。

二  无功优化和补偿的原则

无功功率补偿的设计，应全面规划、合理布局、分层分区补偿、就地平衡的原则确定最优补偿容量和分布方式。在110KV及以下用户中，人工补偿主要是装设并联电容器补偿装置。据调查，在变电站中，并联电容器安装容量占主变压器的比例，由于各地电网情况和无功补偿容量的差异而略有不同，一般不少于10%，不大于30%。或者按变压器最大负荷时，高压侧功率因数不低于0.95进行补偿。

三  此低压无功自动补偿装置设计原理

此低压无功自动补偿装置是并联电容器装置，适用于660V、380V电网的无功就地平衡。

并联电容器分组容量的确定按以下规定：分组原则主要是根据电压波动、负荷变化、电网背景谐波含量，以及设备技术条件等因素来确定。

无功补偿装置电容器容量的计算：

1、按最大负荷计算的补偿容量为

式中： ——补偿容量，kvar；

——最大负荷有功功率，kW;

——最大负荷功率因数角正切值；

——要达到的功率因数角正切值。

2、按提高电压要求计算的补偿容量为

式中： ——补偿容量，kvar；

——补偿后变电站母线电压升高值，kV;

——补偿前变电站母线电压，kV；

——该变电站送电线路的感抗值， 。

3、按平均负荷计算的补偿容量为

式中： ——补偿容量，kvar；

——最大负荷有功功率，kW;

——年平均有功负荷系数。

并联电容器无功补偿装置实际输出容量为

式中： ——并联电容器装置的实际输出容量，kvar；

——并联电容器装置的额定容量，kvar；

——并联电容器装置的平均运行电压，可取系统标称电压的1.05倍，KV；

——并联电容器装置的额定电压，KV;

——串联电抗器的电抗率。

并联电容器自动无功补偿装置系统框图

各功能块详解：

1、PT、CT——其选型应满足测量精度的要求，实际测试数据显示，同一台装置应选用同一生产批次的PT、CT。

2、采样及AD转换——把输入的交流电压电流信号进行处理，转为处理器可识别的数字信号。

3、DSP处理器——相当于整个装置的大脑，检测电网运行参数，计算安装处的功率因数和所需补偿的无功量，选择适宜电容器组，投切电容器，并控制投入电容器的间隔时间，设置必要的保护功能，如过电压快速切断功能；控制LCD显示电压电流功率因数等信息，并与上位机进行通讯，上报装置安装处的电网信息，并执行上位机的遥控命令。

4、控制输出——接于DSP的OD,并通过光耦和微型直流继电器输出控制信号给投切开关。

5、投切开关——适宜现场电网环境需求，与所连电容器组相匹配，可选用电容投切专用交流接触器、双向可控硅、复合开关等设备；根据电网谐波含量选配电抗器。

6、电容器组——选择适当分组容量，各分组容量可相等（是较通用做法，优点：各组电容器组和投切开关型号相同，利于降低生产成本，可通过程序控制电容器组依次循环间隔投切，利于切除的电容器组充分放电，各电容器组运行时间较平均，避免一组电容器频繁投切，而另一组电容器极少连网运行的情况，延长电容器使用寿命；缺点：只有一种容量等级。）；分组容量也可成阶梯状分部（如15kvar、30kvar、45kvar、60kvar，优点：可组合的容量多，更能适应电网无功的变化需求；缺点：各电容器运行时间差别大，频繁投切的那组电容器使用寿命短，而极少连网运行的另一组电容器使用寿命长，增加了补偿装置的生产成本和维护成本。）带电运行的电容器组切除后，不能立即投入使用。低压并联电容器装置的放电器件应满足电容器断电后，在3min内将电容器的剩余电压降至50V以下；当电容器再次投入时，电容器端子上的剩余电压不应超过额定电压的0.1倍。通过软件设置电容器组的投切间隔时间，电容器投切延时至少10秒，同组电容器的投切间隔时间大于5分钟 。用于单台电容器保护的外熔断器选型时，应采用电容器专用熔断器，单台电容器的外熔断器熔丝的额定电流，可按电容器额定电流的1.37—1.50倍选择。

7、LCD显示——DSP处理器控制LCD显示电网运行参数，比如电压、电流、功率因数等信息。

8、通讯功能——选配RS232、RS485、以太网、GPRS通讯（可选4G或Wi-Fi），装置与上位机进行通讯，上报装置安装处的电网信息，并执行上位机的遥控命令。方便巡检人员现场或异地及时掌握装置运行状况，利于日常维护。

四  此低压无功自动补偿装置应用效果

此低压无功自动补偿装置已批量生产并装设在各小区和工厂配电房，运行状况良好，对功率因素的改善效果显著，大大降低了电能消耗，改善了电能质量，节约了用电成本。

参考文献：

[1] 工业与民用供配电设计手册（第四版）．中国电力出版社

[2] 并联电容器装置设计规范GB 50227-2017．中国计划出版社

[3] 20KV及以下变电所设计规范GB 50053-2013．中国计划出版社