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对现行无功补偿控制器及复合开关的分析

一、无功补偿控制器的作用
     
GLVC-60无功补偿控制器的主要作用就是提高功率因数以减少设备容量和功率损耗、稳定电压和提高供电质量,安装并联电容器进行无功补偿,可限制无功功率在电网中传输,相应减小了线路的电压损耗,提高了配电网的电压质量,降低用户的费用开支。无功补偿的作用具体体现在:
1.提高电压质量
     
GLVC-60无功补偿控制器设备的合理安装,与电网的供电电压质量关系十分密切。采用补偿装置后,配电线路电流一般能减少 10-30% ,设备端电压能提高 8% 左右,这对电器使用寿命和产品质量的提高均有明显的益处。
2.降低电能损耗
     
GLVC-60无功补偿控制器主要是为了降损节能,降低有功功率损耗,加装无功补偿设备后功率因数由cosφ1提高到了cosφ2, 由于功率因数的提高,有功负载损耗降低百分率为:ΔP%=(1- cosφ12/cosφ22)×100。
3.提高供电设备带负荷能力
     在设备容量不变的情况下,提高了功率因数可以少送无功功率,多送有功功率。增加的有功功率为:ΔP= P1-P=S(cosφ2 – cosφ1)。如需要的有功不变,则由于需要的无功减少,所需配电变压器容量ΔS也相应减少:ΔS=S-S1=P[(1/ cosφ2)-(1/ cosφ1)]。
4.减少用户电费支出和设备开支
     就用户经济角度出发,由于增加
GLVC-60无功补偿控制器装置的带来的优点,使得用户大大减少了电费和供电设备投资,根据国家功率因数奖、罚规定:每低于标准(江苏省为0.9)0.01时,从电费总额罚款0.5%,以此递增,低于0.7每一级提高到1%,低于0.65每级提高到2%;每高于标准0.01时,从电费总额奖励0.15%,以此类推,达到0.75%封顶。所以通过无功补偿,可以将功率因数低于规定值受罚变成受到奖励。另外,通过无功补偿还减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗产生的电费。
5.事例分析
    (1)如某企业使用一台315KVA 的配电变压器 . 企业的综合功率因数为 0.8 其力率调整电费应增加 2.5% ;如果提高到 0.96 以上,电费应减少 1.1% 。显而易见,功率固数提高以后电费开支将降低 3.6%左右,而有功功率损耗带来电费开支将降低30.56%左右。
    (2) 上述企业由于生产规模的扩大,而在功率因数为 0.8的情况厂,只能带 252KW 的有功负荷,变压器容量显得不足。如新增 40KW的设备投入生产,则必须新增 50KVA 的一台配电变压器,仅其供电贴费高达2万多元,再加设备购置费、安装费等,企业投入将达 4-5 万元。如能配置无功补偿电容器 20KVar,功率因数可提高到 0.92 以上,原变压器能带有功负荷达 290KW,基本满足新上设备的需要。而
GLVC-60无功补偿控制器设备的购置安装费不足 l 万元,可为企业节省大笔开支。
    (3)某工厂有功负荷为800KW、无功负荷为450KVar、功率因数为0.87,整条线路有功线损率较高。为降低线损,加装电容器容量为192KVar的无功补偿设备,使功率因数提高到0.95,使的有功功率损率降低百分率为16.13%,大大降低了电费支出。
二、目前投切电容器的三种无功补偿方法
1.基于交流接触器的方法
     最先应用于低压电容器投切的元件是交流接触器,这是一种传统的电容器投切方式,由于三相交流电的相位互成120,对交流接触器投切控制,理论上不存在最佳操作相位点(即投切瞬时不可选择性),使得它投入或切除电网时,要产生一个暂态的过渡过程,又因电容器是电压不能瞬变的器件,并联电容器由交流接触器投切电网时,由于其相位点是随机的,所以会产生幅值很大、频率很高的浪涌电流。涌流不仅会对电网产生不利的干扰,对交流接触器易产生电弧、易烧损触头,而且涌流、过电压会加速电容器的失效,减少电容器的使用寿命,甚至爆炸,所以采用交流接触器进行电容器投切谐波污染大、维护成本高、不适于频繁操作。为了改善这些缺陷,出现了所谓投切电容器专用接触器,就是在接触器的主触头处并以带电阻的辅助触头,在合闸时先合上辅助触头,然后再合上主触头,以此减低浪涌电流;而分闸时正好相反,先分主触头,而后再分辅助触头,以此减轻电弧对触头的烧损。但这一措施仅仅是一种改良而已,并未在根本上解决问题,涌流、过电压和谐波污染仍然存在,对电容器和装置的寿命仍有很大的影响,所以基于交流接触的无功补偿将越来越少。但由于其相对投资低、控制简单,所以至今在不少技术要求低的地方仍在应用,但可以预见,随着电容器投切开关的发展,将逐步被淘汰。
2.基于晶闸管(可控硅)开关的方法
     随着电力电子器件应用的发展和普及,后来人们研发出由可控硅为核心的晶闸管器件。其原理为通过电压过零时投入电容器、电流过零时切除电容器,由于其保证在电压过零时投入电容器组,从而避免了合闸涌流的产生,而切断又在电流过零时完成,避免了暂态过电压的出现,这就从功能上符合了电容器的过零投切的要求,另外由于可控硅的触发次数没有限制,可以实现准动态补偿(响应时间在毫秒级),因此适用于电容器的频繁投切,非常适用于频繁变化的负荷情况,相对于交流接触器有了质的飞跃。然而晶闸管元件在应用上有较大的弱点:就是在通电运行时可控硅导通电压降约为1V左右,损耗很大(以额定容量100Kvar的补偿装置为例,每相额定电流约为145A,则可控硅额定导通损耗为14513=435W),由于有大的功耗所以需要散热以避免PN 结的热击穿,为了降温就需要使用面积很大的散热器,甚至需要风扇进行强迫通风,另外可控硅对电压变化率(dv/dt)非常敏感,遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况很容易误导通而被涌流损坏,即使安装避雷器也无济于事,因为避雷器只能限制电压的峰值,并不能降低电压变化率,所以往往要加装电容容量6%左右的电抗器。基于晶闸管的方法的缺点是结构复杂、体积大、损耗大、成本高、可靠性差,优点是能实现过零投切、动作迅速、反应快,多用于动态补偿的场合,而不适用于常规低压电容器投切的无功补偿装置中。
3.基于
GLFK复合开关的方法
     仔细分析交流接触器和可控硅开关的各自优缺点之后发现,如果把二者巧妙地结合来,优势互补,发挥接触器运行功耗小和可控硅开关过零投切的优点,便是一个较为理想的投切元件,这就是当前使用最广的复合开关,这种投切开关同时具备了交流接触器和电力电子投切开关二者的优点,不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗较低,不再需要配备笨重的散热器和冷却风扇。要把二者结合起来的关键是相互之间的时序配合必须默契,可控硅开关负责控制电容器的投入和切除,交流接触器负责保持电容器投入后的接通,当接触器投入后可控硅开关就立即退出运行,这样就避免了可控硅元件的发热。考虑到交流接触器工作时,其线圈有几十瓦的功耗,所以目前的复合开关都是选用晶闸管和磁保持继电器并联运行,其在接通和断开的瞬间具有可控硅过零投切的优点,而在正常接通期间又具有磁保持继电器零功耗的优点。复合开关利用了晶闸管和交流接触器的优点具有无冲击、低功耗等显著优点,可替代接触器或晶闸管开关,广泛用于低压领域。
4.当前
GLFK复合开关的主要特点
     过零投切:可控硅与磁保持继电器并接,实现电压过零导通和电流过零切断,无涌流、无电弧;
     电压缺相保护:系统电压缺相供电时,开关拒绝闭合;若出现缺相则自动退投;
     电源缺相保护:工作电源缺相供电时,开关拒绝闭合;若出现缺相则自动退投;
     欠压保护:电压≤额定电压(220V)的20%时开关拒绝闭合;
     停电保护:接通后遇突然停电时,自动跳闸断开;
     无谐波注入:过零触发不会产生谐波;
     功耗小:只在投切动作瞬间耗电,平时不耗电;
     光电隔离技术:抗干扰能力强,工作安全可靠。
四、复合开关的选择
     由于
GLFK复合开关的优势作用,自从2002 年开始,由原来全国仅数家企业研发生产,至今已扩展到数百家企业,主要有共补和分补两类。其原理基本相同,用三端封装的可控硅作为电容器的投入和切除单元,用大功率永磁式磁保持继电器代替交流接触器负责保持电容器投入后的接通。众所周知,可控硅是一种对热和电冲击很敏感的半导体元件,一旦出现冲击电流或电压超过其容许值时,就会立即使其永久性的损坏。国内很多厂家的复合开关都不能解决上述问题,所以在选择复合开关时,必须选择具有强大保护作用的复合开关,除具备一般复合开关的特点,还必须具有如下功能:
     具有线路电流测量功能,用来进行过流保护;
     具有可控硅防冲击保护器件和电路;
     元件出现故障,必须拒绝闭合或自动断开;
     考虑带安全和投切精度,未接负载时开关拒绝闭合。
     由于在涌流和安全可靠性方面做得好的复合开关可以完美的替代接触器和晶闸管开关,并保证具有很长的使用寿命,所以选择复合开关时一定要对选择厂家的复合开关进行相应的测试和试运行。只有选择优质的GLFK复合开关才能真正保证无功补偿装置的使用寿命,配合优质的控制器达到预期的无功补偿精度,从真正意义上进行无功补偿,满足用户需求。

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