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无功补偿、谐波治理方案及元器件的选取(三)

一、摘要
本文对低压配电网内无功功率补偿、谐波治理等技术的解决方案，以及成套装置中所需元器件的选型进行了简单的阐述。
二、机电一体化复合开关
　　此种产品是近年来发展起来的一种电容器投切器，有分体组合式和一体化两种结构形式，其投切原理是一样的。该产品综合了电容器专用接触器和无触点电子开关的优点并克服了两种产品的缺点。由于其独特的性能，故发展很快。另外其产品系列逐步增加，质量水平大幅提高，制作成本也在下降，大有取代电容器专用接触器和无触点电子开关的趋势。
三、并联电容器的选取
　　并联电容器是无功功率补偿装置的主体，其质量的好坏，运行的可靠性，将直接影响整套装置的使用效果和寿命。要选择一种优质的电容器应从以下几个方面考虑：
1.电容器额定电压的确定
(1)由于并联电容器需要长期、全额在电网中工作，而电容器的实际工作电压与其使用寿命又有直接的关系，根据可靠性试验理论可知：当电容器的工作电压每提高10%，其寿命将减少一半。所以，确定电容器的额定电压是非常重要的。电容器额定电压的选取由下列因素决定：a.供电网的电压水平；b.谐波背景，当电容器在含有谐波的环境下工作时，谐波电压将叠加到电容器的基波电压上，会使电容器的实际工作电压升高(Uc=U+SUi)；c.是否加装低压串联电抗器。为限制投切电容器时的合闸涌流，为抑制谐波避免谐振或为消除(吸收)谐波，都需要在电容器支路中低压串联电抗器。由电工学原理可知，当电容器与电抗器组成串联回路再接入电网时，电容器两端的电压将高于电网电压，其升高幅度由所低压串联电抗器的电抗率(P)来决定：Uc=U/(1-P)。
(2)综合以上因素，笔者认为在低压0.4kV电网中(变压器实际输出电压会高于0.4kV)设置的无功功率补偿装置中安装的电容器，在一般情况下应选择额定电压为0.45kV系列的产品，而用于谐波抑制或滤波装置中的电容器，根据低压串联电抗器的电抗率不同，其额定电压应选择0.48kV或0.525kV系列的产品。
2.电容器额定温度等级的确定
(1)电容器工作时其周围的温度(略高于环境温度)，对电容器使用寿命的影响是很大的，因为，根据绝缘材料的寿命理论：当电容器的工作温度每升高7～10(℃)时，其寿命将缩短一半。但由于温度对电容器寿命的影响是缓慢的，所以经常被忽视。
(2)在电容器产品国家及行业标准中仅列出A、B、C、D四个温度等级，而实际应用中，有许多场合(如箱变、高温地区等)的环境温度已高于D级(+55℃)。这就要求设计人员在选择电容器时与相关制造厂进行沟通，要求提供更高温度等级的产品。
3.电容器额定容量及内部连接方式及结构的确定
(1)当补偿装置的总容量及投切方式和组数确定后，还需对单台电容器的电容量、外形结构尺寸、安装方式(垂直、水平)、以及内部连接形式(D、Y、Yn、Ⅲ)和填充料种类(干式、油渍式)等参数进行选择。
(2)并联电容器输出的无功功率与其工作电压的平方成正比，当实际工作电压与额定电压不一致时，其实际输出的无功功率与其额定值是不相等的，实际输出无功功率可用下式表述：Qc=(Uc/Un)2.Qn。
(3)由于采用补偿方式不同，需要电容器内部连接的方式有所不同，根据需要，电容器内部可接成D、Y、Yn、Ⅲ等形式。而由于装置安装位置(如:在地下供、用电设施，易然、易爆环境中安装使用的电容器)安全等级的要求，有时需要干式、无油化的电容器。关于低压电容器的选用，在国家相关行业规范中已有明确的规定：根据“民用建筑电气设计规范”(JGJ/T16)的要求，设置在民用主体建筑中的低压电容器应采用非可燃性油浸式或干式电容器。在特殊情况下还会因为柜体尺寸的限制，电容器体积需要小型化，且能够进行水平方向安装。
(4)圆柱形金属(铝)外壳电容器能够极大限度地满足以上要求，已经越来越多地被多种成套装置所选用，尤其是在大容量(比如补偿容量大于300kvar)的补偿柜中及小体积就地补偿柜，则是较好的选择。圆柱形电容器因其具有诸多的优点，而被越来越多的人们所认识和接受，而用圆柱形电容器组装制作的补偿柜，不久将会逐步取代采用传统结构电容器组装的补偿柜，必将成为无功补偿领域的主导产品。
(5)另外，由北京江海胜业电力科技有限公司采用圆柱形电容器研发的一种模块化低压电容器补偿、滤波组件(详见专题介绍)，已于近期投放市场。该模块的推广应用，将为成套补偿装置(柜)的制作方式(组装工艺)带来巨大的变化。
四、低压串联电抗器的选取
1.随着电网污染程度的加重，为保证补偿装置安全可靠的运行，需要加装低压串联电抗器以抑制或滤除谐波，同时也限制了电容器投切时产生的涌流。
2.电抗器与电容器组成串联回路后，也需要长期承受不断增加的负荷，如果电抗器的质量不好，就会在运行中过度发热，尤其是工作在谐波环境下的电抗器发热将更加严重，将可能导致发生火灾事故。
3.对于电抗器的质量对补偿装置安全运行的影响，现在许多人的认识是不够的，尤其是在低压电网系统中。另外，由于电抗器的价格较高，在选用时经常会选择体积较小，价格便宜的产品，而往往不是较好方案。从物理学角度来讲，要保证电抗器长期安全可靠地运行，足够的导线截面积和绕组的设计选取是基本的前提。
4.电抗器的电抗率及电感值是要经过严格计算并经修正后确定的，不能随意选取，否则不但达不到预期的效果，反而会带来危害(可能产生谐振而引起谐波电流放大)。关于电抗器的电抗率的选取，在相关的标准中都有相应的描述。通常情况下，用于限制涌流的电抗器其电抗率在0.1～1(%)之间选取；用于谐波抑制(失谐)回路的电抗器其电抗率在4.5%以上选取；用于谐波滤除(调谐)回路的电抗器其电抗率则需要根据所滤除谐波的次数，通过计算得出。
五、保护元件的选取
1.对于一套优质的补偿装置，除需在额定的工作条件下安全运行外，还要保证在外部系统异常或故障时，能够自行保护，这就要求装置具有良好的保护系统。这一点，在实际应用中是非常重要的，一定要引起足够的重视。

2.在装置中起保护作用的元件主要有：控制器内部的各种保护功能(过压、欠压、缺相、小电流、谐波越限等)，熔断器，热继电器，断路器，温控开关，排风扇，放电电阻(线圈)，RC吸收组件，散热器等。各种保护元件规格的选用，要经过严格的设计、计

算，慎重选取，过大、过小都是不合理的。若选取不当，不但起不到保护作用，反会带来危害。

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