陳志豪

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：根據無功補償原理，解決功率因數偏低的問題，結合該環保能源公司用電質量的現狀，提出無功補償解決方案，實際現場考察負載用電總結無功補償裝置的設計選型、安裝及注意事項。ANSVC無功補償裝置由自愈式并聯電容器、串聯電抗器、投切開關、低壓無功補償控制器組成，能實時檢測系統中的無功需量，進行無功補償，從而提高功率因數，減少電費支出。

1、原理分析

1.1在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。

有功功率：正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。

無功功率：比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈，除需40多瓦有功功率(鎮流器也需消耗一部分有功功率)來發光外，還需80乏左右的無功功率供鎮流器的線圈建立交變磁場用。由于它不對外做功，才被稱之為“無功"。

Q:無功功率（Kvar），S:視在功率（KVA），P:有功功率（Kw），PF:功率因數

1.2無功功率偏低的不良影響：

1、 降低發電機有功功率的輸出

2、 降低輸電、變電設備的供電能力

3、 線路損失增大和電能損耗增加

4、 功率因數下降，電費增收，成本增加

5、 使電氣設備得不到充分發揮

1.3并聯電容器無功補償原理：

如圖1，將并聯電容器C與變壓器或負載并聯，則變壓器或負載所需要的無功功率全部或部分由并聯電容器供給，即并聯電容器發出的容性無功可以補償負載所消耗的無功。

如圖2，當未接電容C時，流過電感L的電流為I_L,，流過電阻R的電流為I_R,電源供給的電流為I₁,I₁=IR+jI_L,此時相位角為Φ₁,功率因數為COSΦ₁；并聯接入電容C后，由于電容電流I_C與電感電流I_L方向相反，使得電源供給電流由I₁減小為I₂，I₂=I_R+j（I_L-I_C），相角由Φ₁減小到Φ₂,功率因數由COSΦ₁提高到COSΦ₂。

在純電容無功補償中，電容器本身阻抗是容性的，隨著諧波頻率的提高，電容器的容抗會明顯減小，使得諧波被電容器放大，從而疊加在補償電流上，使電流有效值顯著增加，電容器由于諧波電流的增大產生溫度過高、絕緣老化、鼓包等問題。且諧波電流放大引發諧波電壓增大，一旦疊加到電容器的電壓上，也會使電壓有效值增加，電壓峰值增加，從而引起電容器產生局部放電且不能熄滅，這也是電容器鼓包損壞的一個重要因素。在大多數的低壓電力系統中，諧波會對電容柜產生較大的影響。現場應用總比較常見的有變頻設備數量較多、容量較大，變頻器前端沒有進線電抗器，相互之間會產生諧振，從而引起電容器經常出現鼓包發熱等情況。

通過在低壓電力電容器中串聯合理配置的電抗器，進行諧波抑制。電容器的容抗值為1/ωC；在電路中串聯對應的電抗器，該電抗器感抗為ωL，則電容器與電抗器會在某一頻率下具有確定的阻抗，從而實現在該頻率下諧波抑制。

電抗率的定義為：LC串聯回路中，在基波頻率下感抗和容抗的比值，即X_L/X_C,電抗率一般為6%、7%、12.5%、14%，電抗系數對應的諧振頻率如下表1所示。若使用6%電抗器，諧振點頻率為204Hz，遠離5次諧波諧振點，但靠近4次諧波諧振點200Hz，例如，三相6脈沖的變頻設備，如果其中有一只晶閘管損壞，則會變成相當于5脈沖設備，因此將會產生4次諧波。 若使用7%電抗器，諧振點頻率為189Hz，遠離5次諧波諧振點，則諧波分流流入的少，可更好的保護電容器，7%電抗是常用的安全補償方式。12.5%電抗器諧振點頻率為141Hz，接近3次諧振點150Hz，易產生諧振，影響電容器正常使用。14%電抗器諧振點頻率為134Hz，遠離3次諧振點150Hz，14%電抗相較于12.5%更加安全可靠。7%電抗抑制5、7次以上諧波，14%電抗抑制3次以上諧波。

當無功補償中有電抗進行諧波抑制，電容器的容量不能按標稱值進行補償，考慮到電容器的耐壓值，諧波抑制式無功補償在應用過程中會出現電容器降容的問題。由于電網電壓本身的波動及由于電抗器和電容器串聯后，電容器端子間電壓被抬高，電抗率7%的無功補償電容器耐壓值一般為480V；電抗率14的無功補償電容器耐壓值為525V。以在400V系統中7%電抗率電容電抗額定電壓為480V,額定補償容量為50Kvar為例，額定補償電流為60.1A，而實際補償電流計算為53.9A，電容會由于電壓差而降容，裝機容量50Kvar，而實際容量只有37.5Kvar。

2、項目概述

江蘇某環保能源公司，占地面積約16.6公頃，項目一期建設4條日處理500噸的焚燒線，2臺18MW的汽輪發電機組，生活垃圾焚燒能力為2000噸/天，年發電量2.72億千瓦時以上。現有多套新建2000KVA變壓器需配套兩電容補償柜，柜子尺寸為寬1000*深1000*高2200，主要負載為電動機、辦公用電、照明等。

3、解決方案

變壓器容量為2000KVA，負荷率為0.8左右，預估電容柜裝機容量為兩套300Kvar，根據現場環境預估為3、5、7次諧波為主，諧波主要影響電容正常工作，容易發熱、鼓包等，需配套14%電抗率的電抗器使用，電抗器主要功能為抑制諧波進入電容器，從而保護電容，增加電容器使用壽命。根據柜子尺寸及設備尺寸確定電容配置方案為每個柜子安裝40Kvar*6路和30Kvar*2路。

4、ANSVC無功補償裝置

4.1 概述

ANSVC無功補償裝置適用于頻率50Hz電壓0.4KV的系統中，ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個中，能根據電網中負載功率因數的變化控制電力電容器投切進行補償。其原理為：ANSVC低壓無功功率補償裝置通過CT采集電流、電壓信號，由無功補償控制器計算，計算出投切電容器的方案，通過投切開關控制各組電力電容器投切。

圖3  ANSVC無功補償裝置

4.3 ANCK串聯電抗器

ANCK系列串聯電抗器與ANBSMJ系列自愈式低壓并聯電容器配套使用，主要用于提高0.4KV電力系統的功率因數，抑制電網的高次諧波，減輕電容器由諧波引起的過載，防止諧波過大，對電容器的安全運行，改善網絡電壓波形，提高供電質量和電網安全經濟運行起良好作用，適用于3、5、7、9次諧波負載的無功補償。ANCK采用銅或鋁繞組，電抗分為共補電抗（如圖7）和分補電抗（圖8），共補電抗器主要用于三相負載，分補電抗器主要用于單相負載，電抗率分為7%或14%。

4.4 AFK投切開關

AFK系列投切開關是低壓無功補償裝置中，用于投切電容器的產品。其基本工作原理是在控制器發出投入或切除指令后，投切開關閉合或斷開，將無功補償支路與系統連接或中斷，實現過零投切，投切過程無過壓、電弧等現象，響應時間快，可頻繁投切。投切開關分為復合開關（如圖9）和晶閘管開關（如圖10）。

4.5 ARC控制器

ARC功率因數補償控制器采用高性能MCU為核心，配以高精度的電量芯片，是以功率因數為取樣物理量的補償器，改控制器能可靠地運行在大諧波、非正弦電流、強干擾等任何惡劣電網環境下。自適應功能保證了電力電容的使用安全，真正實現了電容補償柜的自動穩定投切，有效改善電網的功率因數，是低壓配電系統補償無功功率的理想控制器。

產品的主要特點：缺相保護、過溫保護、過壓欠壓保護、電壓電流諧波保護、多種編碼投切、補償方式多樣化。

ARC控制器外形尺寸（mm）：144*144，開孔尺寸（mm）：138*138

4.6 技術參數