低压电力电容器智能化与智能配电网的探讨

　摘 要：本文讨论了现有低压无功控制设备的存在问题，探讨了在智能配电网中低压无功控制设备的性能要求，提出了采用低压电力电容器智能化方案解决低压无功控制在智能配电网中升级换代问题。并对低压电力电容器的智能化技术、关键部件开关电器的选用，以及应用等问题作了实用性说明。

　　一、引言

　　智能电网被认为改变未来电力系统面貌的电网发展模式，是现代电网的发展方向。在我国建设智能电网受到高度重视，目前已成为国家发展大计。智能电网包括智能输电网和智能配电网两个方面的内容，而智能配电网具有新技术内容多、与传统配电技术区别大的特点，在智能电网中具有举足轻重的作用。低压无功控制是配电网降损节能的重要措施，是配电网的一个重要组成部分，因此在配电网智能化建设中应考虑低压无功控制设备的升级换代问题，使低压无功控制成为配电网智能化，甚至整个电网智能化的一个有机组合部分。

　　由于配电网普遍存在感性无功，同时无功变化较为缓慢的特点，因此现有低压无功控制设备均采用以低压电力电容器作为无功源的动态、集中、无源方式，这种设备虽然制造方便、成本较低，但不能满足智能电网的即插即用、自愈性等技术要求，也不能满足无功控制效果最佳的分散、就地无功控制要求。

　　配电网所需要的低压无功控制设备的面广量大，使用对象主要为普通电力用户和供电企业，因此适应智能电网要求的低压无功控制升级换代产品应充分考虑用户使用与运行维护的技术、经济等方面的承受能力。比较先进的低压无功控制设备是采用电力电子器件作为控制元件的有源方式，但其存在大容量困难、可靠性差、本身功耗大、价格昂贵等问题至今仍较少应用。本文拟结合配电网的特点，提出了一种智能式低压电力电容器作为智能配电网建设中的低压无功控制升级换代的探讨方案，供与会者参考。

　　二、现有低压无功控制设备的缺点

　　现有低压无功控制设备(具有“零投切”功能)的一般结构如下图1所示。

　　图1 现有低压无功补偿设备的结构示意

　　这种结构模式除了不具有智能电网的即插即用、自愈等特点之外，还存在如下一些问题。

　　1)不能实现电容器的过温、三相不平衡、断相和漏电流等保护，电容器的过温度反映过电压、过谐波、环境过温和本身漏电严重等情况，是一种重要保护要求; 

　　2)低压无功补偿控制器是整个设备可靠性的瓶颈，一旦故障，则整台设备停止工作。

　　3)容量的可调整性差，产品一旦形成，容量的调整十分困难，在配置容量与实际需要有较大偏差时、在日后无功缺额有较大变化时，均有必要对其容量进行调整;

　　4)电容器的三相工作电流、温度没有检测，除了不能实现“(1)”项保护外，也不能实现交流接触器、电子开关、电容器等元部件故障自诊断功能，对维护人员技术水准要求高，现场故障确诊困难，不利于故障现场快速处理;

　　5)箱内元部件众多，不能采用接插件安装方式，而采用散装直接接线方式，运行过程中，一旦故障后故障元部件的调换困难，也不利于故障现场快速处理;

　　6)产品结构复杂、体积庞大，不易标准化、规范化，产品质量分散性大、不易保证，同时消耗铜、银、工程塑料等资源多，本身电损(导线电损、接点电损和器件电损)大。

　　三、在智能电网中的低压无功控制设备的功能

　　“智能电网”(Smart Grid),最早出自美国“未来能源联盟智能电网工作组”在2003年6月份发表的报告。报告将智能电网定义为“集成了传统的现代电力工程技术、高级传感和监视技术、信息与通信技术的输配电系统，具有更加完善的性能并且能够为用户提供一系列增值服务。”其后，陆续有一些新的智能电网的定义;此外还有类似的“IntelliGrid”、“Modern Grid(现代电网)”的称谓。

　　从技术组成方面讲，智能电网是集计算机、通信、信号传感、自动控制、电力电子、超导材料等领域新技术在输配电系统中应用的总和。

　　从功能特征上讲，智能电网在系统安全、供电可靠性、电能质量、运行效率、资产管理等方面较传统电网有着实质性的提高;支持各种分布式设备的即插即用;支持与用户之间的互动。

　　对于智能配电网，与传统配电网相比，应具有自愈性、即插即用性、更高的安全性、更高的电能质量、更高的资产利用率，以及支持与用户互动、对配电网及其设备进行可视化管理、配电管理与用电管理的信息化等功能特征。在智能配电网中的低压无功控制设备则应具有如下主要功能特征。

　　(1)自愈性

　　自愈是指能够及时自检测和自诊断，对已发生或正在发生的故障进行相应的纠正性自控制，使其不丧失无功自动控制功能，将故障造成的对无功控制影响降到最小。自愈是可靠性概念的发展，在可靠性基础上的自愈而使设备达到高度可靠性。 信息来源:http://www.365zhanlan.com

　　(2)即插即用性

　　即插即用首先要求设备是单元性的，不能如传统低压无功控制设备那样采用大机柜组装形式，这种形式的产品适用于用电企业的配电无功考核场合。具有即插即用的低压无功控制单元装置应是网络的、开放的，可实现节电效果最佳的就地、分散无功控制，同时可以无障碍融入智能配电网。

　　(3)无功控制的高效节电性与使用简化性

　　无功控制的作用是降损节能，因此智能配电网的低压无功控制设备比传统低压无功控制设备在同等电气条件下应具有更好的降损节能效果。这可以采用能够兼顾电压、无功、功率因数、负荷的无功模糊控制策略，以此提高无功控制的速度和精度，从而提高无功控制的降损节能效果。传统低压无功控制设备接入电网时必须正确引入电压、电流的相序，以及准确输入电压、电流的取样变比，否则低压无功控制设备不能正常工作。而应用于智能配电网的低压无功控制设备应具有自动识别配电电压、电流的相位、变比的性能，从而使用简化，也是即插即用所必须的。

　　四、低压电力电容器的智能化技术

　低压电力电容器的智能化就是将低压电力电容器设计成一种具有即插即用、自愈性的高度智能化的低压无功自动控制的单元装置，然后可以应用于各种要求的低压无功控制。智能式低压电力电容器工作原理如图2所示。

　图2 智能式低压电容器工作原理示意

　　智能式低压电力电容器主要由低压电力电容器、智能组件、开关器件、保护组件和人机联系组件等组成。开关器件应采用可实现“零投切”的基于机械触点的电力电子复合开关或基于机械触点的微电子复合开关形式。这种智能式低压电力电容器可以实现如下功能：

　　1)根据无功功率缺额三相或分相补偿，实现零电压导通与零电流断开的“零投切”电容器功能。

　　2)配电电压、电流、无功功率、功率因数等参数的测量与显示。

　　3)投运、退运、故障自诊断提示。

　　4)过压、欠压、电流速断保护，以及电子开关的du/dt、di/dt过值保护等。

　　5)配电电压、有功功率、功率因数等简单监测统计。

　　由于电容器各相回路中安装了电流检测传感器和电容器体内温度传感器，还可以实现下列功能：(1)检测电容器各相工作电流，据此判断电容器断相、三相不平衡、过电流以及严重泄漏情况，进而实现电容器的断相、三相不平衡、过电流及严重泄漏的保护、告警，以及时采取措施;(2)检测电容器工作时体内温度，实现电容器过温度保护，在过电压、过谐波和环境过温情况退出运行，延长电容器的和设备的使用寿命;(3)根据电容器的各相工作电流和配电电压、配电电流的数值及其变化，实现比较完全的故障自诊断功能，可以判断接触器、电子开关、电容器、空气开关和控制器等部件故障及其故障类型，有利于现场故障查找和处理。(4)多台工作，经通信接口联机，自动产生一个主机，其余则为从机，构成系统工作，个别从机故障自动退出，不影响其余工作，主机故障自动退出后在其余从机中自动产生一个新的主机，组成一个新的系统工作，根据无功功率缺额进行投切，容量相同的电容器按循环投切原则，容量不同的电容器按值投切。

　　五、智能式低压电力电容器中开关电器的选用

　　智能式低压电力电容器以低压电力电容器为无功源，以投、切低压电力电容器方式补偿配电网中的感性无功。因此投切电容器的开关电器是其关键性部件。为了减小投切电容器所产生的涌流和对电网的干扰，目前普遍使用一种可以实现“零投切”的电子式复合开关。这种开关将继电器(接触器)的触点与晶闸管(可控硅)相并联，投运电容器时先晶闸管导通后、后继电器触点闭合，退运电容器时，先继电器触点断开、后晶闸管截止。

　　和普通电容器一样，低压电力电容器通电时其两端的电压不能突变，相当于短路，瞬间浪涌电流取决于电源内阻和负载回路阻抗，电流峰值很大。

　　工作于低压电力电容器零投切控制的晶闸管，虽然工作时间很短，但所接负载是大容量的低压电力电容器，并且导通瞬间负载处于短路状态，受晶闸管最低导通电压限制和过零检测偏差的影响，不能实现理想状态下的电压过零导通，仍有较大的涌流出现。因此应选用额定电流( )和浪涌电流( )指标较大的晶闸管。如三相式20kvar低压电力电容器，其额定工作电流30A，要求所选用的晶闸管的额定电流( )应在60A以上。但鉴于经济方面的考虑，现有电子式复合开关电容中的晶闸管较少达到该指标。

　　在复合开关接低压电力电容器负载运行时，由于晶闸管截止的不可控性，在门极触发电压消失后，电流过零，晶闸管截止，此时低压电力电容器上因充电而达到电压最大值。在晶闸管截止前后的电源电压、晶闸管工作电流、低压电力电容器上电压和晶闸管承受电压波形如下图3所示。
图3 晶闸管截止前后有关波形

　　六、智能式低压电力电容器的应用

　　智能式低压电力电容器可以即插即用进行低压无功自动控制，安装于用电设备旁，实现无功就地自动补偿，或者安装于现有配电柜、配电箱内部和计量柜底部，对一些配变容量小的用户及新村配电等进行无功自动控制，功能强、安装使用方便、投资省。单台使用时接线如下图5所示。
　图5 单台使用接线原理

　　在需要无功补偿容量较大的场合，应用多台智能式低压电力电容器，多台使用时应按如下图n"">所示的方式连接。通电后自动形成一个低压无功自动控制系统工作，具有自愈性，其中任何一台故障自动退出，不会影响系统的正常工作。

　　七、结语

　　智能配电网是配电网的发展方向，同时智能配电网有一个发展、完善和成熟的过程。由于现有低压无功控制设备存在诸多不足，因此解决低压无功控制在智能配电网中的升级换代问题具有急迫性，以促进配电网的降损节能、提高输送能力和改善电能质量。采用低压电力电容器智能化方案，基本符合智能配电网对低压无功控制设备的自愈、即插即用及高节电的性能要求，可以解决现有低压无功控制设备较难解决的在大中企业内部、公用配电等场合的无功就地、分散控制，同时设备简洁、价格低、推广应用无障碍，至少属于一种先行先试的良好方案。