3.3　我國無功補償技術的發展進步

無功補償是低壓電力系統穩定運行、降低線損、提高供電電壓質量的重要技術手段。我國的電力系統無功補償技術經歷了幾十年的發展提高，已經達到相當高的技術水平。

無功補償技術的發展提高，主要沿著減小、限制補償電容器合閘涌流和提高電容器投切控制手段兩個方向進行，兩者相輔相成，協調發展，共同支撐著無功補償技術不斷攀登新的高峰。由電力電子技術支持的SVG技術更使無功補償邁上了一個新的臺階。

3.3.1　限制電容器合閘涌流的技術發展

（1）無功補償的初始階段

我國從20世紀六七十年代開始將無功補償技術提上議事日程。當時補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。合閘時強烈的電火花燒傷操作人員的事故也不時發生。由于當時科技知識普及程度較低，甚至還出現在電容器通電情況下直接拉開補償柜隔離開關而致使操作人員上臂嚴重燒傷的事故。

（2）用空心電抗器限制補償電容器合閘涌流

因電容器兩端的電壓不能突變，所以傳統無功補償裝置使用交流接觸器控制電容器投入時，會產生很大的合閘涌流，該涌流值可達到電容器額定電流的幾十倍甚至更大，引發系統電壓的波動，影響系統中其他設備的正常運行。為了解決這一問題，20世紀七八十年代，人們在電容器通電合閘電路中串聯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。這個方法在一定程度上解決了合閘涌流的問題，但是這種電抗器使用數量較多，一臺三相電容器要配置三只電抗器，而且它的體積較大，價格不菲；另外還由于當年電抗器的外殼澆鑄材料不阻燃的緣故，出現過因接線螺釘松動發熱引發火災的事故，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償電容器合閘涌流

針對以上技術缺陷，從20世紀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功補償產品中得到應用。具有限制電容器合閘涌流功能的交流接觸器型號較多，例如Hi19型、CJ19型、CJX2-kd型、CJ149型等。這種接觸器在電容器合閘時將一組阻值不大的電阻絲串聯進電容器合閘回路中，用以限制合閘涌流；經過短暫延時后限流電阻退出運行，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，對補償裝置的安全運行，延長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

隨著科學的發展，技術的進步，一種采用晶閘管控制電容器投切的方案應運而生。該技術在無功補償系統中以其靈活、便捷和快速的控制特性得到用戶的青睞，是目前應用較多的一種電容器投切技術。之所以能得到廣泛應用，主要是因為該技術可以實現電容器電壓過零投入、電流過零切除，可以有效限制合閘涌流和操作過電壓，延長補償設備的使用壽命和維修周期。

這種投切方案雖然有動態響應速度高的優點，但由于晶閘管導通時有壓降的緣故，會消耗一定的能量并發熱，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還要采用風冷、水冷或其他冷卻方式，這都將使補償系統的體積變大，不能順應系統小型化的發展方向。

有鑒于此，工程技術人員在思考另外一個方案，就是開關器件還使用晶閘管，但它只在電容投入或切除過程中發揮作用，開關結束后則由自保持繼電器或接觸器來維持投切后的穩態工作。這樣晶閘管僅在電容器投切時有若干毫秒的持續工作時間，穩態時晶閘管沒有導通電流，因而可省去晶閘管的散熱器，但保留了晶閘管高動態的優點。這就是比較成熟的晶閘管投切電容技術，或者稱作TSC復合投切開關技術。

（5）TSC復合投切開關

這項新技術、新器件是21世紀研發并投入使用的科研成果。

TSC復合投切開關技術，就是開關器件還使用晶閘管，但它只在電容投入或切除過程中發揮作用，開關結束后則由自保持繼電器或接觸器來維持投切后的穩態工作。這樣晶閘管僅在電容器投切時有不超過幾毫秒的持續工作時間，穩態時晶閘管沒有導通電流，因而可省去晶閘管的散熱器，但保留了晶閘管高動態的優點。這就是比較成熟的的晶閘管投切電容技術（Thyristor Switching Capacitor，TSC），或者稱作TSC復合投切開關技術。

復合投切開關是由三個獨立組合開關組成的，所謂組合開關，即將雙向晶閘管（或者兩個反向并聯的單向晶閘管）和磁保持繼電器組合在一起，用于低壓無功補償電容器的通斷控制。復合開關的基本工作原理是將晶閘管與磁保持繼電器觸點并接，實現電壓過零導通和電流過零斷開，使復合開關在接通和斷開的瞬間具有晶閘管開關無涌流的優點，而在正常接通期間又具有物理開關無功耗的優點。其實現方法是：投入時在電壓過零瞬間控制晶閘管先導通，穩定后再將繼電器吸合導通；而切除時是先將繼電器斷開，晶閘管延時過零斷開，從而實現電流過零切除。由于采用單片機控制投切并智能監控晶閘管、繼電器、輸入電源和負載的運行狀況，從而具備完善的保護功能，包括：

①電源缺相保護：系統電壓缺相時，開關拒絕閉合；②自診斷故障保護：系統自動監控晶閘管、繼電器的運行狀態，若其出現故障，則拒絕閉合或自動斷開退出運行；③停電保護：接通后遇突然停電時，自動跳閘斷開。復合開關無諧波產生：由于導通瞬間是由晶閘管過零觸發，延時后由繼電器吸合導通，所以工作時不會產生諧波。

復合投切開關還具有功耗小的優點。由于采用了磁保持繼電器，控制裝置只在投切動作瞬間耗電，平時不耗電；且由于繼電器觸點的接觸電阻小，因而不發熱，這樣無須外加散熱片或風扇，徹底避免了晶閘管的燒毀現象，降低了成本，真正達到了節能降耗的目的。

復合投切開關可對電容器實現分相補償控制，也能實現三相共補控制，使無功補償的效果更佳。

3.3.2　無功補償控制器的技術發展

20世紀六七十年代的電容器投切控制使用按鈕與交流接觸器，像啟動單向運轉的電動機那樣，在每臺電容器回路中串聯一組熔斷器進行短路保護，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功補償自動控制器，控制路數最多可以達到10路；控制投切的參數閾值通常是功率因數，這種控制方案的缺點是，系統輕負荷運行時容易出現投切振蕩?？刂乒δ艿膶崿F使用的是CD4000系列的數字集成電路。

隨著電子技術的快速進步，從20世紀八九十年代開始至21世紀初，工程師們開發出了使用單片機技術的無功補償控制器，控制投切的閾值除了功率因數外，也有由系統無功功率決定投切的產品，這種控制方案能有效防止電容器投切振蕩現象的發生，提高了無功補償的質量和系統運行的可靠性。

近些年市場上出現的無功補償控制器更是品種規格繁多，功能各異，總體技術水平有了極大的提高。主要表現在以下幾個方面。一是既可向投切開關提供交流電壓，用于驅動交流接觸器的線圈，也可選擇提供直流信號，用于控制復合投切開關的動作；二是投切控制路數大幅度增加，由10路、12路提高到24路、48路甚至更多；三是可對電力系統中的單相無功功率進行分相補償，使得補償效果更加精細；四是控制投切的電容器可以合理分組，每臺電容器的容量經過合理選擇，可一次性投入多臺電容器，快速將系統補償到最佳狀態。

3.3.3　智能電容器自組網補償技術

智能電容器是電力系統無功補償技術發展歷史上的重要里程碑。智能電容器之所以稱為智能型產品，是因為它可以無需補償控制器的支持，自我生成一個獨立的無功補償系統。它具有過零投切、自動保護功能，是低壓電力無功自動補償技術的重大突破，可靈活應用于低壓無功補償的各種場合，具有結構簡單、組網成本低、性能優越、維護方便等優點。

智能電容器中的投切開關具有特殊的電磁式過零投切技術，其過零投切的偏移度小于2.5，投切涌流小于2.5倍額定電流。智能控制單元通過檢測投切開關動靜觸點斷開時兩端的電壓，控制其在電壓過零點時閉合；通過檢測投切開關動靜觸點閉合時的電流，控制其在電流過零點時斷開，實現“過零投切”功能，使投運低壓電力電容器時產生的涌流很小，退運低壓電力電容器時不發生燃弧現象，從而延長了低壓電力電容器和投切開關電器本身的壽命，也減小了開關電器投切時對電網的沖擊，改善了電網的電能質量。

智能電容器在多臺聯機使用自我組成一個無功補償系統時，可以自動生成一臺主機，其余則為從機，構成低壓無功補償系統自動控制工作；個別從機出故障可自動退出，不影響其余智能電容器正常工作；主機出故障自動退出后，在其余從機中自動生成一臺新的主機，組成一個新的系統正常工作；容量相同的電容器按循環投切原則，容量不同的電容器則按容量適補原則投切，確保投切無振蕩。

在電網三相無功負荷分布不平衡的場合，智能電容器可采用三相共補和三相分補相結合方式，根據每相無功缺額大小，對三相電源分別投切電容器進行補償，實現最優的無功補償效果。

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

智能電力電容器的保護功能包括：配電過電壓、欠電壓及缺相保護；電源引入端過溫度保護；電力電容器各相過電流分段保護；電力電容器本體內部過溫度分段保護等。

智能電容器具有人機對話功能。這也是運行維護人員操作、調試、維護智能電容器的重要技術手段，只有通過人機對話，才能正確操控智能電容器。

3.3.4　繞線轉子式異步電動機無功補償技術的發展進步

繞線轉子式異步電動機的無功補償，傳統技術是與籠型異步電動機采用相同的方案，對電動機所需的無功功率進行補償?，F代技術可采用靜止式進相器對繞線轉子式異步電動機進行無功補償，這種裝置是專為大中型繞線式異步電動機節能降耗設計的無功功率就地補償裝置。它串接在電動機轉子回路中，通過改變轉子電流與轉子電壓的相位關系，進而改變電動機定子電流與電壓的相位關系，達到提高電動機自身功率因數和效率、提高電動機過載能力、降低電動機定子電流和自身損耗的目的。繞線式異步電動機專用靜止式進相器對無功功率的補償與電動機定子側并聯電容器補償有本質的不同。電容補償只是對電動機之外的電網無功進行補償，它只是減少了電網上無功的傳輸量，電動機的電流、功率因數等電動機本身的運行參數無任何變化。而靜止式進相器對無功功率的補償是提高了電動機自身的功率因數。

無功補償技術的發展日新月異，新理論、新技術、新產品、新器件不斷出現，推動著補償水平的提高。無功補償技術的應用并不局限于低壓電力系統，在6kV、10kV等各電壓等級都有廣泛的應用。無功補償技術不僅應用于補償感性無功功率，也適用于補償容性無功功率。同時，隨著技術的發展，科技的進步，靜止無功發生器SVG（Static Var Generator ）也在快速地進入電力系統無功補償的領域。靜止無功發生器SVG 是一種靜止型電氣裝置、設備或系統，它可從電力系統吸收可控的容性、感性電流，或是發出或吸收無功功率，從而達到無功補償的目的。