3.3　我國(guó)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步

無(wú)功補(bǔ)償是低壓電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、降低線損、提高供電電壓質(zhì)量的重要技術(shù)手段。我國(guó)的電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展提高，已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的技術(shù)水平。

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展提高，主要沿著減小、限制補(bǔ)償電容器合閘涌流和提高電容器投切控制手段兩個(gè)方向進(jìn)行，兩者相輔相成，協(xié)調(diào)發(fā)展，共同支撐著無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)不斷攀登新的高峰。由電力電子技術(shù)支持的SVG技術(shù)更使無(wú)功補(bǔ)償邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。

3.3.1　限制電容器合閘涌流的技術(shù)發(fā)展

（1）無(wú)功補(bǔ)償?shù)某跏茧A段

我國(guó)從20世紀(jì)六七十年代開始將無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)提上議事日程。當(dāng)時(shí)補(bǔ)償電容器使用交流接觸器直接合閘，不采取任何限流措施，由于電容器巨大的合閘涌流，使得交流接觸器故障率很高。合閘時(shí)強(qiáng)烈的電火花燒傷操作人員的事故也不時(shí)發(fā)生。由于當(dāng)時(shí)科技知識(shí)普及程度較低，甚至還出現(xiàn)在電容器通電情況下直接拉開補(bǔ)償柜隔離開關(guān)而致使操作人員上臂嚴(yán)重?zé)齻氖鹿省?/p>

（2）用空心電抗器限制補(bǔ)償電容器合閘涌流

因電容器兩端的電壓不能突變，所以傳統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償裝置使用交流接觸器控制電容器投入時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的合閘涌流，該涌流值可達(dá)到電容器額定電流的幾十倍甚至更大，引發(fā)系統(tǒng)電壓的波動(dòng)，影響系統(tǒng)中其他設(shè)備的正常運(yùn)行。為了解決這一問(wèn)題，20世紀(jì)七八十年代，人們?cè)陔娙萜魍姾祥l電路中串聯(lián)一種具有限流效果的空心電抗器，可以將電容器的合閘涌流限制在額定電流十幾倍的范圍內(nèi)。這個(gè)方法在一定程度上解決了合閘涌流的問(wèn)題，但是這種電抗器使用數(shù)量較多，一臺(tái)三相電容器要配置三只電抗器，而且它的體積較大，價(jià)格不菲；另外還由于當(dāng)年電抗器的外殼澆鑄材料不阻燃的緣故，出現(xiàn)過(guò)因接線螺釘松動(dòng)發(fā)熱引發(fā)火災(zāi)的事故，因此這種限流方法的使用逐年減少。

（3）用限流接觸器限制補(bǔ)償電容器合閘涌流

針對(duì)以上技術(shù)缺陷，從20世紀(jì)90年代開始，具有限制電容器合閘涌流功能的一種專用交流接觸器逐漸在無(wú)功補(bǔ)償產(chǎn)品中得到應(yīng)用。具有限制電容器合閘涌流功能的交流接觸器型號(hào)較多，例如Hi19型、CJ19型、CJX2-kd型、CJ149型等。這種接觸器在電容器合閘時(shí)將一組阻值不大的電阻絲串聯(lián)進(jìn)電容器合閘回路中，用以限制合閘涌流；經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)后限流電阻退出運(yùn)行，這樣可以有效地抑制電容器合閘涌流。這種專用交流接觸器用于電容器的投入和切除，對(duì)補(bǔ)償裝置的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)交流接觸器及電容器的使用壽命起著重要的作用。

（4）晶閘管投切技術(shù)

隨著科學(xué)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，一種采用晶閘管控制電容器投切的方案應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)在無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)中以其靈活、便捷和快速的控制特性得到用戶的青睞，是目前應(yīng)用較多的一種電容器投切技術(shù)。之所以能得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)電容器電壓過(guò)零投入、電流過(guò)零切除，可以有效限制合閘涌流和操作過(guò)電壓，延長(zhǎng)補(bǔ)償設(shè)備的使用壽命和維修周期。

這種投切方案雖然有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于晶閘管導(dǎo)通時(shí)有壓降的緣故，會(huì)消耗一定的能量并發(fā)熱，如果處理不好，很容易造成晶閘管損毀，為此，須給晶閘管安裝散熱片降溫，自然冷卻效果不佳時(shí)還要采用風(fēng)冷、水冷或其他冷卻方式，這都將使補(bǔ)償系統(tǒng)的體積變大，不能順應(yīng)系統(tǒng)小型化的發(fā)展方向。

有鑒于此，工程技術(shù)人員在思考另外一個(gè)方案，就是開關(guān)器件還使用晶閘管，但它只在電容投入或切除過(guò)程中發(fā)揮作用，開關(guān)結(jié)束后則由自保持繼電器或接觸器來(lái)維持投切后的穩(wěn)態(tài)工作。這樣晶閘管僅在電容器投切時(shí)有若干毫秒的持續(xù)工作時(shí)間，穩(wěn)態(tài)時(shí)晶閘管沒有導(dǎo)通電流，因而可省去晶閘管的散熱器，但保留了晶閘管高動(dòng)態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。這就是比較成熟的晶閘管投切電容技術(shù)，或者稱作TSC復(fù)合投切開關(guān)技術(shù)。

（5）TSC復(fù)合投切開關(guān)

這項(xiàng)新技術(shù)、新器件是21世紀(jì)研發(fā)并投入使用的科研成果。

TSC復(fù)合投切開關(guān)技術(shù)，就是開關(guān)器件還使用晶閘管，但它只在電容投入或切除過(guò)程中發(fā)揮作用，開關(guān)結(jié)束后則由自保持繼電器或接觸器來(lái)維持投切后的穩(wěn)態(tài)工作。這樣晶閘管僅在電容器投切時(shí)有不超過(guò)幾毫秒的持續(xù)工作時(shí)間，穩(wěn)態(tài)時(shí)晶閘管沒有導(dǎo)通電流，因而可省去晶閘管的散熱器，但保留了晶閘管高動(dòng)態(tài)的優(yōu)點(diǎn)。這就是比較成熟的的晶閘管投切電容技術(shù)（Thyristor Switching Capacitor，TSC），或者稱作TSC復(fù)合投切開關(guān)技術(shù)。

復(fù)合投切開關(guān)是由三個(gè)獨(dú)立組合開關(guān)組成的，所謂組合開關(guān)，即將雙向晶閘管（或者兩個(gè)反向并聯(lián)的單向晶閘管）和磁保持繼電器組合在一起，用于低壓無(wú)功補(bǔ)償電容器的通斷控制。復(fù)合開關(guān)的基本工作原理是將晶閘管與磁保持繼電器觸點(diǎn)并接，實(shí)現(xiàn)電壓過(guò)零導(dǎo)通和電流過(guò)零斷開，使復(fù)合開關(guān)在接通和斷開的瞬間具有晶閘管開關(guān)無(wú)涌流的優(yōu)點(diǎn)，而在正常接通期間又具有物理開關(guān)無(wú)功耗的優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)現(xiàn)方法是：投入時(shí)在電壓過(guò)零瞬間控制晶閘管先導(dǎo)通，穩(wěn)定后再將繼電器吸合導(dǎo)通；而切除時(shí)是先將繼電器斷開，晶閘管延時(shí)過(guò)零斷開，從而實(shí)現(xiàn)電流過(guò)零切除。由于采用單片機(jī)控制投切并智能監(jiān)控晶閘管、繼電器、輸入電源和負(fù)載的運(yùn)行狀況，從而具備完善的保護(hù)功能，包括：

①電源缺相保護(hù)：系統(tǒng)電壓缺相時(shí)，開關(guān)拒絕閉合；②自診斷故障保護(hù)：系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控晶閘管、繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，若其出現(xiàn)故障，則拒絕閉合或自動(dòng)斷開退出運(yùn)行；③停電保護(hù)：接通后遇突然停電時(shí)，自動(dòng)跳閘斷開。復(fù)合開關(guān)無(wú)諧波產(chǎn)生：由于導(dǎo)通瞬間是由晶閘管過(guò)零觸發(fā)，延時(shí)后由繼電器吸合導(dǎo)通，所以工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生諧波。

復(fù)合投切開關(guān)還具有功耗小的優(yōu)點(diǎn)。由于采用了磁保持繼電器，控制裝置只在投切動(dòng)作瞬間耗電，平時(shí)不耗電；且由于繼電器觸點(diǎn)的接觸電阻小，因而不發(fā)熱，這樣無(wú)須外加散熱片或風(fēng)扇，徹底避免了晶閘管的燒毀現(xiàn)象，降低了成本，真正達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

復(fù)合投切開關(guān)可對(duì)電容器實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償控制，也能實(shí)現(xiàn)三相共補(bǔ)控制，使無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч选?/p>

3.3.2　無(wú)功補(bǔ)償控制器的技術(shù)發(fā)展

20世紀(jì)六七十年代的電容器投切控制使用按鈕與交流接觸器，像啟動(dòng)單向運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)那樣，在每臺(tái)電容器回路中串聯(lián)一組熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)，不采取任何合閘涌流限制措施。

七八十年代逐漸開始使用無(wú)功補(bǔ)償自動(dòng)控制器，控制路數(shù)最多可以達(dá)到10路；控制投切的參數(shù)閾值通常是功率因數(shù)，這種控制方案的缺點(diǎn)是，系統(tǒng)輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)容易出現(xiàn)投切振蕩。控制功能的實(shí)現(xiàn)使用的是CD4000系列的數(shù)字集成電路。

隨著電子技術(shù)的快速進(jìn)步，從20世紀(jì)八九十年代開始至21世紀(jì)初，工程師們開發(fā)出了使用單片機(jī)技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償控制器，控制投切的閾值除了功率因數(shù)外，也有由系統(tǒng)無(wú)功功率決定投切的產(chǎn)品，這種控制方案能有效防止電容器投切振蕩現(xiàn)象的發(fā)生，提高了無(wú)功補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

近些年市場(chǎng)上出現(xiàn)的無(wú)功補(bǔ)償控制器更是品種規(guī)格繁多，功能各異，總體技術(shù)水平有了極大的提高。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是既可向投切開關(guān)提供交流電壓，用于驅(qū)動(dòng)交流接觸器的線圈，也可選擇提供直流信號(hào)，用于控制復(fù)合投切開關(guān)的動(dòng)作；二是投切控制路數(shù)大幅度增加，由10路、12路提高到24路、48路甚至更多；三是可對(duì)電力系統(tǒng)中的單相無(wú)功功率進(jìn)行分相補(bǔ)償，使得補(bǔ)償效果更加精細(xì)；四是控制投切的電容器可以合理分組，每臺(tái)電容器的容量經(jīng)過(guò)合理選擇，可一次性投入多臺(tái)電容器，快速將系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)阶罴褷顟B(tài)。

3.3.3　智能電容器自組網(wǎng)補(bǔ)償技術(shù)

智能電容器是電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展歷史上的重要里程碑。智能電容器之所以稱為智能型產(chǎn)品，是因?yàn)樗梢詿o(wú)需補(bǔ)償控制器的支持，自我生成一個(gè)獨(dú)立的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)。它具有過(guò)零投切、自動(dòng)保護(hù)功能，是低壓電力無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)的重大突破，可靈活應(yīng)用于低壓無(wú)功補(bǔ)償?shù)母鞣N場(chǎng)合，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)成本低、性能優(yōu)越、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

智能電容器中的投切開關(guān)具有特殊的電磁式過(guò)零投切技術(shù)，其過(guò)零投切的偏移度小于2.5，投切涌流小于2.5倍額定電流。智能控制單元通過(guò)檢測(cè)投切開關(guān)動(dòng)靜觸點(diǎn)斷開時(shí)兩端的電壓，控制其在電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)閉合；通過(guò)檢測(cè)投切開關(guān)動(dòng)靜觸點(diǎn)閉合時(shí)的電流，控制其在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)斷開，實(shí)現(xiàn)“過(guò)零投切”功能，使投運(yùn)低壓電力電容器時(shí)產(chǎn)生的涌流很小，退運(yùn)低壓電力電容器時(shí)不發(fā)生燃弧現(xiàn)象，從而延長(zhǎng)了低壓電力電容器和投切開關(guān)電器本身的壽命，也減小了開關(guān)電器投切時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

智能電容器在多臺(tái)聯(lián)機(jī)使用自我組成一個(gè)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)時(shí)，可以自動(dòng)生成一臺(tái)主機(jī)，其余則為從機(jī)，構(gòu)成低壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)自動(dòng)控制工作；個(gè)別從機(jī)出故障可自動(dòng)退出，不影響其余智能電容器正常工作；主機(jī)出故障自動(dòng)退出后，在其余從機(jī)中自動(dòng)生成一臺(tái)新的主機(jī)，組成一個(gè)新的系統(tǒng)正常工作；容量相同的電容器按循環(huán)投切原則，容量不同的電容器則按容量適補(bǔ)原則投切，確保投切無(wú)振蕩。

在電網(wǎng)三相無(wú)功負(fù)荷分布不平衡的場(chǎng)合，智能電容器可采用三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)相結(jié)合方式，根據(jù)每相無(wú)功缺額大小，對(duì)三相電源分別投切電容器進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的無(wú)功補(bǔ)償效果。

智能電容器具有自己的操作面板和LCD顯示器，顯示數(shù)據(jù)齊全完整，可顯示內(nèi)容包括配電電壓、配電電流、配電功率因數(shù)，智能電容器自身的運(yùn)行電流，電容器殼體內(nèi)的溫度等。

智能電力電容器的保護(hù)功能包括：配電過(guò)電壓、欠電壓及缺相保護(hù)；電源引入端過(guò)溫度保護(hù)；電力電容器各相過(guò)電流分段保護(hù)；電力電容器本體內(nèi)部過(guò)溫度分段保護(hù)等。

智能電容器具有人機(jī)對(duì)話功能。這也是運(yùn)行維護(hù)人員操作、調(diào)試、維護(hù)智能電容器的重要技術(shù)手段，只有通過(guò)人機(jī)對(duì)話，才能正確操控智能電容器。

3.3.4　繞線轉(zhuǎn)子式異步電動(dòng)機(jī)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步

繞線轉(zhuǎn)子式異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償，傳統(tǒng)技術(shù)是與籠型異步電動(dòng)機(jī)采用相同的方案，對(duì)電動(dòng)機(jī)所需的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。現(xiàn)代技術(shù)可采用靜止式進(jìn)相器對(duì)繞線轉(zhuǎn)子式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，這種裝置是專為大中型繞線式異步電動(dòng)機(jī)節(jié)能降耗設(shè)計(jì)的無(wú)功功率就地補(bǔ)償裝置。它串接在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子電壓的相位關(guān)系，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)定子電流與電壓的相位關(guān)系，達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)自身功率因數(shù)和效率、提高電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力、降低電動(dòng)機(jī)定子電流和自身?yè)p耗的目的。繞線式異步電動(dòng)機(jī)專用靜止式進(jìn)相器對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償與電動(dòng)機(jī)定子側(cè)并聯(lián)電容器補(bǔ)償有本質(zhì)的不同。電容補(bǔ)償只是對(duì)電動(dòng)機(jī)之外的電網(wǎng)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，它只是減少了電網(wǎng)上無(wú)功的傳輸量，電動(dòng)機(jī)的電流、功率因數(shù)等電動(dòng)機(jī)本身的運(yùn)行參數(shù)無(wú)任何變化。而靜止式進(jìn)相器對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償是提高了電動(dòng)機(jī)自身的功率因數(shù)。

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展日新月異，新理論、新技術(shù)、新產(chǎn)品、新器件不斷出現(xiàn)，推動(dòng)著補(bǔ)償水平的提高。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用并不局限于低壓電力系統(tǒng)，在6kV、10kV等各電壓等級(jí)都有廣泛的應(yīng)用。無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)不僅應(yīng)用于補(bǔ)償感性無(wú)功功率，也適用于補(bǔ)償容性無(wú)功功率。同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，靜止無(wú)功發(fā)生器SVG（Static Var Generator ）也在快速地進(jìn)入電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)念I(lǐng)域。靜止無(wú)功發(fā)生器SVG 是一種靜止型電氣裝置、設(shè)備或系統(tǒng)，它可從電力系統(tǒng)吸收可控的容性、感性電流，或是發(fā)出或吸收無(wú)功功率，從而達(dá)到無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>