配电网无功补偿装置重要性及可靠性技术研讨

配电网无功补偿装置重要性及可靠性技术研讨简述:本次技术交流主要针对的是电力系统的配电环节---并联补偿和电能质量中谐波问题。电力系统构成：用电配电输电发电涉及问题1、配电系统的并联补偿（√）2、配电系统电能质量1、谐波（√）2、电压波动和闪变3、电压的暂降和短时中断一、无功补偿的迫切性和作用⑴目前我国电力供应紧张原因一：中国经济的高速发展和人民群众日益改善的生活对电力需求的增加（电力红色警报、拉闸限电）原因二：结构性矛盾----以火电为主的现实

---煤炭、石油、天然气的储量匮乏，不可再生

---风电、核电、生物能发电、太阳能发电、潮汐发电目前难成上规模，有些还处于试验阶段。原因三：能源的利用率和损耗严重---据统计：目前我国能源利用效率为30％左右，比发达国家低近10个百分点。其中我国火电厂单位煤耗为每千瓦时404克标准煤，国际先进水平为317克标准煤，高出27.4％。---据不完全统计2004年全国综合输、变、配电网以及终端用电设备的损耗每年近2000亿kWh。全国一年损耗的电能相当于2.3个三峡电站的年发电量。（三峡电站26台70万kW发电机组全部运行时，年均发电量才850亿kWh）---这个数字出自重庆大学电力经济专家任玉珑教授组织的一个专题研究)⑵怎么办？“低碳经济”—提高能源利用率国家进行经济结构调整，关停一批“高能耗、高污染”的企业，提倡“低碳经济”，都是围绕提高能源利用率和节能做文章。电力企业—设备升级、加强管理、技术创新“特高压电网”--提高输送能力，降低损耗。

重视无功补偿—同样可以提高输送能力，降低损耗

--投资不高

--技术难度不大

--还能改善电压质量(3)无功补偿作用？功率因数(cosφ)

0.500.600.700.800.901.00有功电流（A）111111无功电流（A)1.731.381.020.750.480不同功率因数输送有功电流为1安培时无功电流的大小◆补偿无功功率，提高功率因数◆增加电网的传输能力，提高设备的利用率。

cosφ10.700.700.700.700.700.700.70cosφ20.900.920.950.970.980.991.00△P%28.6%31.4%35.7%38.5%40%41.4%42.9%在视在功率S不变的情况下，提高功率因数后线路传输功率能力将有所增加。◆降低线损和变压器的有功损失。

安装无功补偿后线路电流会下降，线损降低，变压器的有功损失也会降低。cosφ10.700.700.700.700.700.70cosφ20.900.950.970.980.991.00线损降低率39.5%45.7%47.9%48.9%50%51%变压器铜损降低率39.5%45.7%47.9%48.9%50%51%◆减少设备容量在保证输送有功功率P一定的情况下，提高功率因数可以降低设备的容量S（视在功率）◆改善电压质量◆提高电力系统稳定性

●电网中任何情况下都要求无功电源要大于无功负荷，要有贮备。根据实际运行资料，无功功率的贮备容量必须达到最大无功负荷的7～8％以上。

●无功功率不仅要作全网平衡，而且要作各个地区平衡。不仅全网平衡中要有贮备容量，而且各个地区都要有贮备容量，才能保证电网的稳定运行。无功补偿设备的实质---无功电源二、无功补偿相关技术内容无功补偿原理？□调相机：噪音和损耗大，逐渐淘汰。

□SVC：速度快、精度高。损耗高、投资大。用在无功负荷变化剧烈的场合。

□STATCOM：速度快、精度高，投资大。可靠性有待检验，属于刚刚起步阶段。

□调压调容式：损耗高，投资大。可靠性差。

□分组电容器：简单易行、性价比高。分组电容器方式是目前配电网变电站无功补偿主要方式自动补偿主要方式？

分组原则：（1）分组投切时电压波动满足国家标准。

（2）应能适应负荷变。

（3）防止发生谐振和电网谐波的严重放大。

（4）经济性原则。分组方式：（1）等容分组----循环投切，均衡使用，动作频度低。（2）不等容分组--组合投切，不能均衡使用，动作频度高，控

制有”死区“

同样条件下，不等容分组装置的故障率远高于等容分组装置。分组原则和方式？以济南地区章丘市龙山110kV变电站为例单组电容器时以济南地区章丘市龙山110kV变电站为例两组电容器时以济南地区章丘市龙山110kV变电站为例三组电容器时以济南地区章丘市龙山110kV变电站为例

五组电容器时系统接线方式？①直接连接变电站10kV母线方式特点：需要多个操作间隔；造价高；占地面积大。②专用补偿母线连接方式特点：总回路用断路器,分组回路可用其它开关设备；设备造价低；占地面积小。故障保护由分组开关完成、事故保护由总开关完成。双星形单星形不平衡电压（电压＜35kV,容量≤1000kvar)

差电压（35kV≤电压≤66kV,容量≥10000kvar)

桥差电流（35kV≤电压≤110kV,容量≥几十Mvar)中性点不平衡电流（电压＜35kV,容量＞1000kvar)电容器组接线方式？特大容量电容器装置保护（双桥差或多桥差保护方式）三、无功补偿可靠性技术分析投切开关？☞电容器投切开关是补偿装置可靠性和安全性的源头

①频繁动作每天可能要开合几次甚至十几次。（普通断路器难以做到不出故障）。

②合闸涌流（合闸涌流对开关触头造成严重烧损）。单组电容器合闸涌流约为额定电流的5～15倍，多组级投入追加合闸涌

流约为额定电流的25倍～250倍，即使装有串联电抗器合闸涌流仍在数倍以上。

③开关重燃是影响电容器安全的最大隐患切电容器开关重燃造成电容器(倍增)过电压（分闸弹跳,易引发重燃）。④对电容器分组投切开关的技术要求

①适于频繁动作。

②承受涌流冲击。（合闸弹跳小，有足够的触头压力）。

③无重燃。（触头开距足够大，分闸无弹跳）。

普通断路器不适于频繁动作。接触器虽然适于频繁动作，但是触头压力太小，触头间隙小，分、合闸弹跳严重。应选用适合频繁动作、重燃几率小的断路器或电容器投切专用开关。11/√3kV电容器内部结构内熔丝电容器无熔丝电容器保护技术？11/√3kV无内熔丝电容器内部结构11/√3kV无内熔丝电容器内部结构无内熔丝电容器故障分析（以10kV电容器组为例）内部故障时,某一串段中的一个元件发生击穿损坏,该串段被短路。剩下的串段元件运行电压升高,电流变化不大,外熔断器不断.电容器可能伴有鼓肚。剩下串段的元件又有击穿,又有串段被短路.剩下串段的元件又有击穿，电容器可能立刻着火爆炸。继续运行继续运行剩下的串段元件运行电压又升高,熔断器可能还不断,电容器出现鼓肚或鼓裂漏油,有可能发生着火甚至爆炸。发生现象发生现象有内熔丝电容器内部结构（以10kV电容器组为例）11/√3kVY有内熔丝电容器内部结构内部结构为16（m）并，4(n)串．额定电容量(Cn)：26.5uF。元件的额定电容量（Cen）为：6.625uF。序号项目带内熔丝不带内熔丝1容量变化变小，26.066uF变大，35.33uF2容量的变化率-1.6%，+33.3%

3电流变化-1.6%+33.3%4故障点隔离，其余不受影响流过+133.3%的额定电流，21倍的元件电流。5电压分布变化（不考虑中性点电位升高）故障段的电压升高约为：1.049倍完好段的电压升高为：1.33倍。以BAM11/√3-334-1W单台有内熔丝电容器为例：内部故障时,某一串段中的一个元件发生击穿,其它元件放电使熔丝熔断，切除该元件。该串段容量减小，运行电压升高,电流变化不大。该串段的元件又有击穿,熔丝熔断，又有元件被切除.重复上述过程继续运行继续运行该串段容量又减小，运行电压又升高,电流变化不大。发生现象发生现象该串段的元件又有击穿,剩余元件放电不能熔断熔丝,电源电流使熔丝熔断,电容器可能立刻着火爆炸。继续运行该串段容量又减小，运行电压又升高,电流变化不大。发生现象有内熔丝电容器故障分析（以10kV电容器组为例）☆一组电容器爆炸起火,是一只电容器起火引起。☆一只电容器的爆炸起火是内部几个元件有被击穿损坏引起。☆一个元件击穿损坏不能被发现继续运行，造成几个单元元件被击穿损坏。☆故障发展到起火爆炸的恶性事故，故障过程电流的变化依然不大。事实上，在多数情况下，事故是有可能避免的，由于保护配置上的问题，主要是电容器内部故障保护的配置不当，电容器有了故障而不能及时被检出并迅速隔离，才使故障继续发展、扩大，最终造成严重后果。电容器故障发展到事故的过程■单台电容器故障保护的方式：（1）内熔丝+微机保护（内熔丝受容量限制，8≤内部元件并联个数≤24）（2）外熔断器+微机保护（微机保护作为主保护，外熔断器最为后备保护）

外熔断器不能作为主保护的原因：★额定电流50A以下，有成熟的系列产品，50A以上尚不能全部通过试验（10kV电容器，200kvar以下）★参数离散性较大,灵敏度较低，熔断时间偏差过大，是运行中引起误动

作、群爆的主要原因之一。★现行的熔断器保护配置原则存有不足之处，主要是并联台数较少时，保护动作的配合不理想。注意:电容器早期故障的发现，用常规的电流保护不容易解决，特别象熔断器保护方式，因其参数离散性较大、灵敏度较低，不宜作为电容器的故障保护，只能作为事故保护。关键：当电容器内部一个串段击穿后的隔离技术，必须做到“早发现，早隔离”。电磁兼容？■电磁兼容的定义为：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力”。■两层意思：（1）是设备或系统要有一定的抗干扰能力，使其在电磁环境中能正常工作；（2）是设备或系统在工作时自身所产生的电磁骚扰应当抑制在一定的指标下，不能对同处一个电磁环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰。

■补偿装置的电磁干扰源■结论：⑴安装在户内的补偿装置中的电抗器，最好采用铁芯结构，将其装在柜中，这样它的电磁兼容性较好。⑵如要采用空芯电抗器，应尽可能地远离计算机系统。条件允许最好将三个电抗器安装成“品”或“一”字形结构。⑶如空芯电抗器要采用叠放安装，宜采用饼式电抗器来减少电抗器的高度。。

四、谐波相关知识介绍■何谓电力谐波？在一些现代工业或商业的动力系统中，有时会出现一些原因莫明的故障或事故。例如，在额定负荷范围内，有些变压器或电缆会出现异常温升、有些出现补偿电容器或熔断器发热烧毁、一些测控元件或控制保护设备产生异常误差或误动，负荷开关动作失控、生产工艺或产品质量不稳定等问题。而且，事件后的调查往往会发现上述出问题的各类设备在事前的性能和状态都是正常的。那么，引起这些故障或事故的原因是什么呢？如果这些故障或事故只是偶然出现一次，那其起因有很多种可能；但如果在相同条件状态下多次或经常出现同类问题，那我们应该有所警觉：最可能的起因只有一个——电力谐波及其影响。在理想的情况下，电源提供的电压和电流具有标准50Hz频率的正弦波形。但在实际中供电电压和电流的波形会由于某些原因产生畸变，即叠加了谐波成份。电力谐波是指一些频率为基波频率(50Hz)整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。

谐波波形实例Sin(ωt)的波形Sin(ωt)+0.25Sin(5ωt)的波形Sin(ωt)+0.25Sin(5ωt)+0.15Sin(7ωt)的波形Sin(ωt)+0.25Sin(5ωt)+0.15Sin(7ωt)+0.1Sin(11ωt）的波形■电力谐波的产生☆根本阻抗特性的用电设备(又称为非线性负荷)用电的结果。下列用电设备类别属主要非线性负荷：

●含铁磁元件类设备：如荧光灯镇流器集群。●整流换流类设备：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。●燃弧类设备：气体放电灯、交流弧焊装置或交流电弧炉等。■电力谐波的危害

☆供用电系统中的谐波危害主要表现在以下几个方面：

●供用电设备在高频分量作用下，集肤效应增大、涡流、磁滞等影响增加，引起异常过热，损耗增加。

●由于谐波频率的叠加影响导致频率不稳，使旋转电机转速不稳，附加损耗增加，供用电设备机械振动加大，甚至发生机械谐振。

●谐波成份使电流和电压波形产生畸变，波峰的畸变会使对峰值敏感的设备或元件受影响(如过电压引起击穿或过电流引起误动)，而波形过零点的畸变直接对测控元件或设备产生干扰和误动。■电力谐波的危害☆以下为易受谐波影响的主要设备：

◆变压器、旋转电机：铁芯磁感应环流增加，大大加大电气设备发热损耗，增加功耗；加速绝缘老化，影响设备寿命；

◆电线电缆：集肤效应增大，发热损耗增加；加速绝缘老化，影响寿命；

◆电力电容器组：谐波电压会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器及熔断器因过热、过电压等而不能正常运行甚至烧毁；

◆供用电设备：旋转电机转速不稳，供用电设备机械振动加大，甚至发生机械谐振。

◆

测控元件或设备：受谐波干扰而出错或误动。如负荷开关误跳、生产测控设备失控或不稳定。■电力谐波的治理谐波抑制措施包括：1.设备改造：也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生，例如增加整流换流装置相数。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。

具体方法有：

①增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1／n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如：整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18．5％，7次谐波电流为基波电流的12％，如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4．5％，7次谐波电流下降到基波电流的3％。

②脉宽调制法

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。

③三相整流变压器采用Y－d（Y／Δ）或D、Y（Δ／Y）的接线

这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。

2、在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。

主要方法有以下几种：

①无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。优点：由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。缺点：但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器（APF）。②有源滤波器（APF）早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（ActivePowerFilter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐