无功补偿装置的应用

1 低压无功补偿装置及其工作原理

　　1.1MSC装置的投切

　　采用机械开关投切电容器的无功补偿装置(MSC)，即通过控制器取样，电容式交流接触器(或断路器)作为电容器的投切元件，熔断器(或微型断路器)、热继电器作为保护的一种并联电容器补偿装置，可以手动投切或自动投切。自动投切是由控制器以无功功率(或无功电流等)为物理量，通过循环投切(先接通的先分断，后分断的后接通)方式控制电容器的投切。因电容器的初始电压为0，在交流接触器触点闭合的瞬间，电网的电压极少为0，但电容器的电压不能突变，因而产生非常大的电流冲击即合闸涌流。根据试验表明，电容式交流接触器的合闸涌流一般是电容器额定电流的20倍左右。同时，由于交流接触器不能在短时间内频繁投切，使得该种无功补偿有级的、定时的，补偿装置的响应时间一般大于10s，且频繁地投切使交流接触器的触头受电弧作用而损坏，增大运行维护工作量。

　　1.2TSC装置的投切

　　近年来随着电子工业的不断发展，出现了集微机、电子、机电为一体的新产品——TSC无功补偿装置，即投切回路中由晶闸管替代电容式交流接触器投切电容器。TSC无功补偿装置的原理是：自动补偿控制器通过对电网无功电流的快速检测，经比较、判断后以编码工作方式向晶闸管发出通断信号，进行投切控制，控制回路接到通断信号后采用过零触发电路投切电容器，即电路检测到施加在晶闸管两端的电压为零时，发出触发信号使晶闸管导通;当电路检测到晶闸管为零电流时断开晶闸管。从理想状态上讲，当电容器的电压与电网电压相等时，不会产生合闸涌流，解决了电容式交流接触器投切产生的合闸涌流问题，在实际使用过程中用晶闸管投入电容器时其合闸涌流也都可以控制在3倍额定电流以内，其补偿装置的响应时间为100ms以内(*快可达20ms)。但是使用TSC无功补偿装置也存在以下缺点：

　　(1) 晶闸管导通时会产生1V左右的管压降，通常30kvar三角形接法的电容器，额定电流为43A，则一个晶闸管所消耗的功率为43W，以每天平均10h计，一个晶闸管日耗电量就达0.43kW。这些消耗的功率都转变成热能使得电柜的温度升高。

　　(2) 晶闸管有漏电流存在，当未接电容时，即使晶闸管未导通，其输出端也是高电压。

　　(3)TSC电路本身也是谐波源，大量的应用对低压电网的波形不利。

　　(4)TSC无功补偿装置的成本高，一般其不错柜的价格比采用MSC无功补偿装置的补偿柜贵70%-80%。

　　1.3MSC+TSC装置的投切

　　针对上述TSC无功补偿装置存在的一些缺点，生产厂家又设计出晶闸管+交流接触器组合(MSC+TSC)的有触点无功补偿装置(即复合开关)。其工作原理与TSC无功补偿装置的工作原理相同。工作方式有所区别：将交流接触器与晶闸管并联，仍采用过零触发电路。检测到施加在晶闸管两端的电压为零时，即发出触发信号使晶闸管导通，在晶闸管导通的10个周波后，才发信号使交流接触器闭合;再10个周波后才断开晶闸管。此后晶闸管推出运行，由交流接触器接通补偿回路。当自动补偿控制器检测到需要切除电容器时，先将晶闸管导通，待10个周波后发信号断开交流接触器，再10个周波后才将晶闸管断开，电容器完全从补偿回路中切除。这种MSC+TSC的无功补偿装置解决了TSC无功补偿装置在使用中出现的因功率损耗引起电柜发热严重等问题，又解决了使用电容式交流接触器投切电容器产生的合闸涌流问题。因在投切过程中使用了交流接触器，降低了无功补偿的响应时间，一般为0.5s左右。

　　2 三种无功补偿装置在实际中的应用

　　通过对以上三种无功补偿装置性能的了解，在实际工作中就要认真分析用户的用电负荷特性，根据不同用电负荷选用不同的无功补偿装置。

　　2.1MSC装置的应用

　　以连续工作制为主的工业企业，主要用电设备长期运行，用电负荷特性平稳，电动机启动时，功率因数低，一旦电动机达到额定转速时，自然功率因数较高(0.75~0.8)，无功负荷变化小。类似这类特性的负荷，在做配电设计时，一般就选用MSC无功补偿装置，并将其安装在低压配电室内进行集中补偿。针对MSC无功补偿装置存在的缺点，一般采取以下措施：

　　(1) 选用额定容量较大的电容式交流接触器，如用额定电流40A的交流接触器投切15kvar的三相电容器。

　　(2) 电容器串接0.1%~1%的电抗器以抑制涌流。如某丝织厂供电总容量1250Kva，主要有2个车间(计算功率分别为330kW、自然功率因数为0.75)，为三班工作制，主要用电负荷为连续工作制电动机，三相负载基本平衡。根据供电局要求，补偿后功率因数达0.9以上。根据该厂的负荷特性，实行以下方案：在每个车间配电房安装MCS无功补偿装置进行集中补偿，要求能手动、自动投切。每个车间补偿总容量为210kvar，每组补偿容量15kvar，共14组;采用循环投切方式;交流接触器额定电流为40A，熔断器和热继电器的额定电流均为32A。工程投入运行后，通过工程跟踪得知：每月可获得功率因数奖励接近3000元。由于无功量较稳定，在实际运行过程中电容器投切次数较少，故障、维修量并不高，使用寿命也相应增长，维修成本降低。

　　2.2TSC装置的应用

　　对于一些特殊行业，如压延厂、金加工车间中含有大量冲击机床、扎钢机、电焊机等，其符合的特点是冲击性符合的容量较大、负荷的电流瞬时变化很大，负荷冲击强、无功负荷瞬时变化大，而且这种负荷一般谐波含量较高。在这种情况下，若采用MSC无功补偿装置，电容器根本无法投入运行，不是电容器损坏就是交流接触器烧毁。若选用TSC无功补偿装置，就可以取得很好的补偿效果。在选用TSC无功补偿装置时，要求晶闸管的耐压必须大于电容器耐压的3倍，以保证晶闸管工作的稳定性;在测得无功补偿装置接入电网处的背景谐波的确定值后，串联相应电抗率的电抗器以抑制该次谐波;在电容器容量的配置上，一般为不等量配置并采用编码方式控制电容器的投切，以提高无功的补偿度。佛山市某压延厂新上一条生产线，新装变压器容量为1000kVA，自然功率因数在0.6以下，负荷冲击强、无功量瞬时变化大，根据其负荷特性决定实施以下方案：在车间配电室内进行集中补偿，采用TSC无功补偿装置，总补偿容量为330kvar，共分12组(1组20kvar、1组20kvar、10组30kvar)，采用编码投切方式。压延厂设备中已自带消谐滤波装置，所以补偿回路中不再串联电抗器。补偿柜的顶部和车间配电室内加装通风管、排风扇以解决晶闸管的发热问题，熔断器(断路器)的额定电流仍按电容器额定电流的1.5倍选用。该条生产线投运以后，功率因数能达到0.96以上，节能效果显著，厂家非常满意，又决定将原来的两条生产线的补偿装置改为TSC无功补偿装置。

　　2.3MSC+TSC装置的应用

　　高层住宅区、大型商场、写字楼等用电场所既存在较多的单相负荷又有电梯、空调等动力负荷。空调负荷季节性强，一般都由独立变压器供电，负荷电流平稳、无功负荷变化小，无功补偿选用MSC无功补偿装置即可。单相负荷与电梯等动力负荷一般由同一变压器供电，这类负荷采用混补的补偿方式(可将80%的补偿容量作三相补偿，20%的用于单相补偿)可取得较好的补偿效果。补偿装置选用MSC+TSC无功补偿装置，同样要求晶闸管的耐压必须大于电容器耐压的3倍，编码投切方式，熔断器(断路器)的选用���则不变。△-Y共补与分补相结合的接线：三相共补部分的电容器为△接线、其单台电容器的额定电压为440V，容量为10、15、20、30kvar;三相分补部分的电容器为Y接线，其单台电容器的额定电压为230V，容量为4、5、6、8、10kvar。如某物业管理公司反映其每个月功率因数罚款达二千多元，住户意见很大。在现场勘察时发现该小区的无功补偿采用MSC无功补偿装置，但并未投入。原来，该小区属高层建筑小区，白天和夜间照明负荷很小，主要是电梯负荷(启动频繁、运行时间短)，MSC无功补偿装置既不能满足补偿度的要求，又由于频繁投切使交流接触器故障率很高，运行维修量很大，小区的电工干脆将补偿柜退出运行。该小区现有2台800kVA配变，要求功率因数达0.9以上。根据该用户的负荷特点，选用MSC+TSC无功补偿装置、编码投切方式。考虑到小区内电视机、电脑等设备较多，故在补偿回路中串联了0.5%的电抗器。通过计算每台变压器的补偿容量为270kvar，其中210kvar用于三相共补，60kvar用于三相分补。虽然采用混补工程造价会有所提高，但该套补偿装置投入使用后，小区物业公司反映补偿效果明显。

　　3 结语

　　MSC无功补偿装置、TSC无功补偿装置与MSC+TSC无功补偿装置各具优缺点，TSC无功补偿装置、MSC+TSC无功补偿装置是MSC无功补偿装置的补充。在无功负荷比较稳定、不需要频繁投切电容器进行补偿的电力用户，选用MSC无功补偿装置即可满足技术上的要求;对于无功补偿瞬时变化大、需快速、频繁投切电容补偿的电力用户，则必须使用TSC无功补偿装置或MSC+TSC无功补偿装置，方能达到应有的补偿效果。