浅谈智能低压电容器在无功补偿系统的应用

时间：2022-09-15

摘要：介绍了一种基于智能电容器的新式无功补偿系统在工程项目中的应用，从结构和功能上对该智能电力电容器模块进行了剖析，并与具体项目相结合，描绘了低压无功补偿的发展方向。

关键词：低压无功补偿智能电容器模块化应用

0 引言

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术、通信技术等的快速进步，低压电网无功补偿正快速地向过零投切、智能化、模块化方向发展，产品的质量和性能有了大幅度提高，功能也日趋多元化。

传统低压无功补偿系统由1只控制器、若干组电容器和投切开关杂、可维护性差、各元件间单一连接，无法实现整机的自我诊断以及每组电容器电流及温度的保护，给运维以及一些保护部件在低压电气柜内组合而成口，整柜元件多、体积大、安装接线复工作造成了不便。为此，在某音乐喷泉项目的无功补偿系统中，引入了模块化、智能化的理念，并采用智能电容器模块作为补偿主体。智能电容器是把1组电容器本体、过零投切开关、保护部件等通过智能测控单元**的结合，组成补偿模块。模块自身、模块间、模块与控制器均可以实现自适应通信，即插即用。各台模块通过通信方式结合成一个整体，工作时相互联系，故障时互不干扰，做到了智能控制。

1 智能电容器模块的电气结构与原理

如图1、图2所示，智能电容器模块由智能测控单元、晶闸管复合开关电路、线路保护单元、2台△型（三相补偿）或1台Y型（分相补偿）低压电力电容器构成，它们各自独立工作又互相联系。

（1）智能测控单元。智能测控单元以工业级DSP为核心，同AD转换、CAN-BUS通信、LCD显示、数据存储等构成一个系统，集釆样、运算、分析、控制、通信、人机交互、数据存储于一体，与其它部件进行数据交换，从而有效地协调整个智能电容的工作。同时，智能测控单元还集成了外部通信功能，可以把本机的运行工况和测量数据通过RS-485接口与外部设备通信以及与其它智能电容器、控制器或后台监控系统进行数据交换，做到了透明化、智能化和模块化。

图1三相补偿式智能电容器模块电气原理图

图2分相补偿式智能电容器模块电气原理图

（2）可控硅复合开关电路。晶闸管复合开关电路包含了可控硅过零检测与触发模块、可控硅保护模块、磁保持继电器驱动模块及开关故障检测模块。电路采用电力电子可控硅与大功率磁保持继电器复合技术，利用可控硅的快速导通和磁保持继电器触点的零压降实现互补，做到过零投切和低功耗运行。合闸时，该电路可实时检测可控硅开关两端（即电力电容器与电网）的电压差，当电压差基本为0（相差小于3V）时，触发可控硅导通，无冲击涌流，做到柔性投入；之后，磁保持继电器吸合，短路可控硅的两端电，通过继电器触点接通主回路，降低开关压降；同时继电器触点通过永磁元件定位保持进一步降低功耗。分闸时反之。

（3）线路保护单元。线路保护单元由空气开关、快速熔断器及电流检测回路组成。此单元旨在保护智能电容器整机，当智能电容器发生过负荷、三相不平衡或内部短路等故障时，线路保护单元实时跳闸，以保护电网不受影响。

（4）电力电容器。电力电容器采用干式自愈式金属化薄膜电容器，使用高温薄膜卷绕、环氧树脂材料灌封，罐内填充氮气或蛭石，设置防爆装置，无泄漏；内置温度传感器，把电容器的实时温度信号传送至智能测控单元，用作过温保护判据。

2 智能电容器的应用研究

智能电容器模块有三相补偿和分相补偿两个系列，可按8：4：2：1的容量配比原则分为不同容量等级的多种模块。三相补偿模块内部设有2组△型电力电容器和2组投切开关，可单独投切，提高了补偿精度；分相补偿模块内部有3只单相电力电容器，釆用Y型连接，并接到零线，并通过3只独立的可控硅复合开关电路与电网三相相连，可做到每相单独控制，从而实现分相补偿功能。

由于智能电容器具备完整的测量、分析、控制、保护等功能，同时具有和传统补偿类似的控制器、投切开关、电力电容器等部件，因此，它可以单独接入电流取样信号进行无功补偿。若单台补偿容量不够时，可釆用多台并联来扩展补偿容量，此时只需将联机电缆线相互连接即可。

本项目中的变压器容量为2500kVA,按变压器容量配置的无功功率补偿容量为1250kvar。考虑到项目*量釆用照明等单相设备，因此在总无功补偿中配置约的分相补偿电容器，即总补偿容量为1250kvar,其中三相补偿电容为750kvar,分相补偿电容为500kvaro分别采用三相补偿和分相补偿智能电容器模块为主体来实施，电容器选型见表1,一次系统图如图3所示。

表1智能电容器配置表

FST-QMZS(S)/450-20.20型为三相补偿智能电容器，其额定电压为450V；电容容量(20.20)表示1台智能电容器有2组可独立投切的电容器组，分别为20kvar和20kvar,同理，(20.10)表示2组电容器组分别为20kvar和lOkvar。FST-QMZF(S)/250-20型智能电容为分相补偿智能电容器，其额定电压为250V,Y型连接，三相总容量为20kvar,每相为6.67kvar,且每相可单独控制投切。由上述选型可知三相电容器共有40组，其中20kvar的为35组，lOkvar的为5组，这样配置可按1:2编码投切，以提高精度；同时相同容量的电容器组又有多台，可循环投切，延长了使用寿命。

CS-三相补标式智能电容器;CF—分相补惨式督能电容保护控制器

图3音乐喷泉项目一次系统图

3 基于智能电容器的补偿装置特点

（1）电容组数多，补偿精度高。补偿系统共选择智能电容器45台，其中三相补偿智能电容器20台共40组，分相补偿智能电容器25台共75组，这是传统无功补偿装置不可比拟的。由于组数越多，补偿级差就越小，因此本项目中补偿级差为lOkvar,也就是说，一旦电网缺额无功功率大于lOkvar,就可进行补偿，补偿精度是变压器容量的1/250。多组容量相等的电容器按循环投切，容量不等的则按无功值编码投切，既保证了补偿精度，又尽量让电容器组动作次数均等，延长了使用寿命。

(1)模块体积小，节省安装空间。智能电容器340mmX85mmX305mm的尺寸可采用刀片式安装方式，在电气柜内安装上下两层，每层安装8只智能电容器。可选3只800mmX1000mmX2350mm的GCS柜，就可装下45台智能电容器，且柜内除了刀熔隔离开关外，仅有智能电容器，整洁、美观、可靠。

（2）系统化补偿，提高可靠性。45台智能电容器联机工作，组成一个补偿系统，釆用一主多从的的模式。每只智能电容器独立釆样，并把数据传送至主机进行分析，主机发出控制命令控制45台智能电容器有序投切。从机出现故障时，自动退出补偿系统，不影响其它智能电容器工作；主机出现故障时，也自动退出补偿系统，由剩下的从机再次自动选举产生一个主机。任何一台智能电容器出现故障，不论是主机还是从机，整个补偿系统仅补偿容量减小，不影响正常运行，避免了传统无功补偿系统中的控制器一旦损坏则整个补偿系统瘫痪的情况。

（3）模块化组装，标准化生产。智能电容器二次回路及电流互感器配件均采用标准接口拔插式设计。在成套设备厂生产时，只需把智能电容器安装固定，从柜内刀熔隔离开关下端头引出母线接入一次回路端头，再把二次联机电缆线安插到位，让智能电容器之间、智能电容器与其配件“电容投切状态指示器”和“无功功率自动补偿控制器”形成一个通信系统即可。这就省去了复杂的二次线路，有利于标准化生产，降低了生产环节故障率。

（4）模块化使用，易维护扩容。智能电容器二次接口釆用标准接口拔插式设计，当个别模块出现故障退出补偿系统时，可直接拆除更换备用元件以便维修；当系统补偿容量不够时，可直接增加智能电容器，而不需要考虑控制器的接口数量及繁杂的电容、开关、保护元件等散件的安装与接线。

4 安科瑞AZC/AZCL智能电容器介绍及选型

4.1产品概述

AZC/AZCL系列智能电容器是应用于0.4kV、50Hz低压配电中用于节省能源、降低线损、提高功率因数和电能质量的新一代无功补偿设备。它由智能测控单元，晶闸管复合开关电路，线路保护单元，两台共补或一台分补低压电力电容器构成。可替代常规由熔丝、复合开关或机械式接触器、热继电器、低压电力电容器、指示灯等散件在柜内和柜面由导线连接而组成的自动无功补偿装置。具有体积更小，功耗更低，维护方便，使用寿命长，可靠性高的特点，适应现代电网对无功补偿的更高要求。

AZC/AZCL系列智能电容器采用定式LCD液晶显示器，可显示三相母线电压、三相母线电流、三相功率因数、频率、电容器路数及投切状态、有功功率、无功功率、谐波电压总畸变率、电容器温度等。通过内部晶闸管复合开关电路，自动寻找投入（切除）点，实现过零投切，具有过压保护、缺相保护、过谐保护、过温保护等保护功能。

4.2 AZC系列智能电容器选型：

AZCL系列智能电容器选型：

4.3产品实物展示

AZC系列智能电容模AZCL系列智能电容模块

安科瑞无功补偿装置智能电容方案

5 结束语

基于智能电容器的新式低压无功补偿装置是传统无功补偿装置的一种变革，是现代电力电子技术、检测技术、微电子技术、计算机和网络通信技术发展的必然成果。它不仅通过模块化设计实现了装置的小型化，方便了设备的运维；而且通过模块间的通信网络，实现了整个系统的相互配合和独立运行，体现了智能化、标准化、高性能的特点。

参考文献：

【1】郭国方.无功补偿在城市配网中的应用【J】.电网技术.2007.31（增刊1）:229.230

【2】魏林，基于智能电容器的新式无功补偿系统的应用研究

【3】安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版

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