劉勇浩　陳子輝　徐偉斌　朱文超

摘要：低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動態(tài)無功補償裝置，但受環(huán)境溫濕度及諧波影響，補償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，導致大量低壓公用配電房和配電線路的無功補償裝置并未投入運行，因而供電功率因數(shù)低下。為節(jié)能增效，提高低壓公用配電房和配電線路供電功率因數(shù)，研制了一種防諧型低壓無功補償裝置，以減少補償裝置控制器、接觸器和電容器的損壞，提高低壓無功補償裝置的使用率。

關(guān)鍵詞：低壓公用配電房;配電線路;防諧;無功補償

中圖分類號：TM714.3 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0054-03

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

0 ? ?引言

目前，低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動態(tài)無功補償裝置[1]，但補償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，大量的低壓公用配電房和配電線路的無功補償裝置并沒有投入運行，導致供電功率因數(shù)低下。補償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，除了環(huán)境溫濕度影響之外，諧波影響最為嚴重。

當前電力用戶使用了大量非線性負荷，如居民家里用的照明裝置很多都會采用LED燈和節(jié)能燈，LED的電子開關(guān)電源和節(jié)能燈都是諧波源，會產(chǎn)生大量高次諧波，這些諧波除了會導致補償裝置的控制器及接觸器產(chǎn)生誤動和異常過熱損壞之外，高次諧波還會對補償電容器內(nèi)部產(chǎn)生過電流和過電壓損壞。

同時，高次諧波還將消耗大量無功功率，如果無功功率不足，配電變壓器的損耗就會增大;配電線路由于線路長，會消耗大量無功功率，而無功功率不足，配電線路的損耗也會增大，終端用戶電壓就有可能達不到使用要求[2]。

1 ? ?事故案例分析

1.1 ? ?某生產(chǎn)廠諧波測試報告

2012-08-21T17：46，220 kV某變電站10 kV #1電容器組過流Ⅰ段保護動作，10 kV #1電容器組571DR開關(guān)跳閘。經(jīng)初步分析，認為諧波是造成電容器組損壞的主要原因。2012年8月28日—9月6日，試驗班對220 kV某變電站10 kV 1M母線進行了電能質(zhì)量測試，發(fā)現(xiàn)10 kV 1M母線2次、4次諧波電流數(shù)值較大。對變電站10 kV 1M母線所供電的10 kV線路逐條進行測試，發(fā)現(xiàn)10 kV某Ⅱ線實測數(shù)據(jù)2次、4次諧波電流較大，其中最大值接近國家標準值;10 kV某線實測諧波數(shù)據(jù)5次、7次諧波電流超過國家標準值。

2012年9月19日—26日，對10 kV某Ⅱ線、10 kV某線、客戶配變進行跟蹤測量分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)10 kV某Ⅱ線供電的某廠產(chǎn)生的4次、5次諧波電流超過國家標準值，且2次諧波電流較大;10 kV某線供電的某廠產(chǎn)生的5次、7次諧波電流超過國家標準值。

1.2 ? ?110 kV某變電站#1電容器組故障原因初步分析

2013年，110 kV某變電站10 kV #1電容器組發(fā)生不平衡電壓跳閘，試驗班對#1電容器組進行電氣試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)A相電抗器直流電阻異常變小，阻值為20.04 mΩ，其他兩相電抗器阻值分別為B相91.04 mΩ、C相92.71 mΩ，其他常規(guī)試驗項目正常。判斷是A相電抗器匝間短路，需更換。2014年8月—10月，對三相電抗器全部進行更換，串聯(lián)電抗器由6%改為5%，交接驗收合格后，2014年10月30日10 kV #1電容器組投入運行，合閘時又發(fā)生不平衡電壓跳閘（兩次的動作電壓都是29 V左右）。

根據(jù)跳閘情況以及與設(shè)計、制造廠家溝通的情況，為進一步確認高壓設(shè)備是否處于正常的健康狀態(tài)，我所對電容器、放電線圈、電抗器、避雷器及高壓開關(guān)重新進行了絕緣試驗，同時對放電線圈進行比差、角差和勵磁特性試驗。以上全部試驗數(shù)據(jù)正常，初步認為一次設(shè)備沒有問題。

為分析是否是相間電壓或諧波影響導致電容器組電壓不平衡動作，我所對以往某站電能質(zhì)量測試的結(jié)果以及跳閘時刻的相間電壓和諧波進行了分析。

1.2.1 ? ?用戶諧波測試的結(jié)果分析

2014年9月9日，我所在電能質(zhì)量干擾源用戶普測中發(fā)現(xiàn)某站兩條10 kV用戶專線諧波電流超標。

（1）10 kV 1M母線：10 kV某線路F715，5次、7次諧波電流超標（分別是42.81 A和13.03 A，計算限值分別為5.38 A和4.74 A）。母線諧波電壓總畸變率為2.93%（國標4%），三相電壓不平衡度和電壓偏差由于測試時實際接線方式為V接，未能進行比較。

（2）10 kV 2M母線：10 kV某某線F721，3次、5次、7次諧波電流超標（分別是5.30 A、39.77 A、16.54 A，計算限值分別為4.34 A、4.86 A、4.34 A）。母線諧波電壓總畸變率為2.93%（國標4%），三相電壓不平衡度為0.42%（國標4%），電壓偏差為（+1.14%，-1.49%）（國標±7%）。

1.2.2 ? ?跳閘時刻的電壓和諧波

根據(jù)調(diào)度自動化系統(tǒng)記錄，當時10 kV 1M及2M并列運行，#2電容器組也正常投入運行，10 kV母線的電能質(zhì)量情況是一樣的。10 kV母線PT監(jiān)測的是10 kV母線電壓情況，而放電線圈監(jiān)測的是電容器組內(nèi)部各相電容器的電壓，10 kV母線電能質(zhì)量情況對電容器組不平衡電壓跳閘的影響關(guān)系還需進一步檢測和分析。由于保護提供的信息非常少，甚至沒有電壓不平衡的具體相別，因此無法準確判斷跳閘時的諧波情況，也無法判別是否是合閘電流所產(chǎn)生的電壓不平衡。

通過對以上兩個事故案例的分析可知，諧波影響導致電容器組電壓不平衡動作，是造成電容器組損壞的主要原因。目前低壓公用配電房和配電線路大多安裝有低壓動態(tài)無功補償裝置，但補償裝置的控制器、接觸器和電容器經(jīng)常損壞，大量的低壓公用配電房和配電線路的無功補償裝置并沒有投入運行，導致供電功率因數(shù)低下。

2 ? ?防諧型低壓無功補償裝置設(shè)計

為節(jié)能增效，提高低壓公用配電房和配電線路供電功率因數(shù)，計劃研制一種防諧型低壓無功補償裝置，以減少補償裝置控制器、接觸器和電容器的損壞，提高低壓無功補償裝置的使用率[3]。

2.1 ? ?設(shè)計電容控制保護模塊

為防止系統(tǒng)外雷電波、系統(tǒng)內(nèi)電壓波動沖擊以及諧波干擾，設(shè)計控制器保護模塊，由避雷器和電容控制保護器組成。避雷器與電容控制保護器并聯(lián)運行，當作用電壓超過一定幅值時避雷器總是先動作，通過它自身泄放掉大量的能量，限制過電壓，保護電容控制保護器。電容控制保護器設(shè)計原理圖如圖1所示。

高頻情況下感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場足以抵消線圈的干擾，起到屏蔽的作用，當頻率高到一定程度時，感應(yīng)電流就不再隨著頻率提高而繼續(xù)增大。裝置含有一種低壓磁環(huán)（鐵氧體抗干擾磁芯），作用為吸收低頻信號并將吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱能耗散掉，在低壓無功補償裝置中，低壓磁環(huán)用于抑制低次諧波干擾信號的通過。

2.2 ? ?設(shè)計控制器防諧功能

無功補償控制器采樣電壓受諧波電壓影響，諧波干擾會導致控制器采樣信號不穩(wěn)定，并且控制器也經(jīng)常受過電壓沖擊而容易損壞，所以增加防過電壓功能和防諧功能加以保護。防諧功能主要是采用電感線圈防諧方式來實現(xiàn)。

2.3 ? ?設(shè)計電容器防諧功能

防諧裝置根據(jù)配電房的諧波背景參數(shù)進行設(shè)計，而配電房的諧波背景參數(shù)是根據(jù)一年內(nèi)用電負荷曲線，選擇負荷較大的用電時段通過便攜式電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置連續(xù)不間斷監(jiān)測獲得。一般配電房連續(xù)不間斷監(jiān)測1天即24 h，用電負荷變化較大的配電房連續(xù)監(jiān)測7天或1個月。根據(jù)不同的諧波含量，設(shè)計不同參數(shù)的防諧裝置。電容器很容易放大諧波電流，從而產(chǎn)生過電流，為此設(shè)計了電容電流保護模塊，原理圖如圖2所示。

2.4 ? ?設(shè)計接觸器保護功能

一般而言，配電房白天和晚上負荷相差較大，為此可采用動態(tài)無功補償裝置或靜態(tài)無功補償裝置進行無功補償，兩種裝置都可以隨著負荷的變動而自動投切電容器。

第一種方案：動態(tài)無功補償裝置接觸器由主開關(guān)和副開關(guān)組成，補償裝置不需要即時合分閘，通過設(shè)置程序，需要合閘時先通過副開關(guān)合閘，之后再合主開關(guān)，而需要分閘時又先分開副開關(guān)，再分開主開關(guān)。主開關(guān)是具有可控分合閘功能的空氣開關(guān)，副開關(guān)是具有信號輸出功能的復合開關(guān)，這樣可以延長動態(tài)無功補償裝置接觸器的使用壽命。

第二種方案：公用配電房和配電線路直接采用靜態(tài)無功補償裝置，采用大容量接觸器，同時搭配防諧器，降低接觸器合閘電流。動態(tài)無功補償裝置接觸器中的元件容易受諧波干擾而損壞，同時疊加的諧波電流也會造成控制器接觸點過熱燒熔，觸點不能分開;而直接采用靜態(tài)無功補償裝置，采用大容量接觸器可避免接觸點過熱燒熔現(xiàn)象。不過，當負荷處于輕載或空載狀態(tài)時，控制器將無法投入小容量電容器，難免會導致負荷功率因數(shù)偏低。為防止輕載或空載時失去補償，設(shè)計自動補償模塊，設(shè)計原理圖如圖3所示。

2.5 ? ?設(shè)計過電流保護裝置

由于配電線路不斷變化，系統(tǒng)參數(shù)也在變化，電容器防諧裝置需要改變參數(shù)，防止諧波放大，同時為防止電容器因過流、過壓而損壞，甚至發(fā)生爆炸，設(shè)計了過電流保護裝置，以延長電容器壽命。

3 ? ?結(jié)語

新型防諧裝置具有以下優(yōu)點：通過防諧裝置，防止諧波入侵補償裝置，減少控制器、接觸器和電容器的損壞，確保補償裝置正常投運;設(shè)計過電流保護裝置，防止諧波放大，引起電容器故障甚至爆炸。

[參考文獻]

[1] 張一工，肖湘寧.現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：科學出版社，1999.

[2] 王超.電氣自動化中的無功補償技術(shù)分析[J].廣西輕工業(yè)，2008，24（5）：49-50.

[3] 薛雙苓，王磊.試論電氣自動化中無功補償技術(shù)的應(yīng)用[J].科技資訊，2011（29）：156.

收稿日期：2021-09-16

作者簡介：劉勇浩（1974—），男，廣東江門人，工程師，主要從事電網(wǎng)配電運維工作。