资深电气工程师剖析无功补偿发展现状

无功功率补偿在电力供电系统中起提高电网的功率因数的作用 ，它可以降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率 ，改善供电环境,避免电力罚款 。所以无功功率补偿装置在电力供电系统中处在一个不可缺少的非常重要的位置 。

合理的选择补偿装置 ，可以做到最大限度的减少网络的损耗 ，使电网质量提高 。反之 ，如选择或使用不当 ，可能造成供电系统 ，电压波动 ，谐波增大等诸多因素 。

目前低压无功补偿装置市场上除了少量的SVG静止无功补偿装置外 ，绝大部分都是使用并联电容器进行补偿的 。因此 ，本文只讨论使用并联电容器的低压无功补偿装置的发展现状 。

一 、以电容器连接方式为出发点的补偿装置分类
1共补型无功补偿装置
这类补偿装置通过检测某一相的电流和另两相电压进行计算 ，控制三相共补电容器的投入数量达到补偿目的 。由于三相共补电容器发出每相无功电流相等 ，因此这类补偿装置只适用于三相电流基本平衡的负荷情况 。当负荷的三相电流不平衡时 ，不能够使三相均得到良好的补偿 ，可能会出现某一相过补 ，某一相欠补的现象 。

早期无功补偿装置都是此类型 。由于用电户多为单相负荷或单相和三相负荷混用 ，并且负荷大小不同和用电时间的不同 ，导致了低压供电系统三相负载的长期性不平衡 。此类补偿已不能满足三相不平衡的负荷场合 。共补型补偿装置适用于三相负荷平衡（电动机 、轧机 、中频炉等）的工业场合 。

2混补型（分补+共补）无功补偿装置
这类补偿装置通过检测三相电流和三相电压进行计算 ，控制相应电容器的投入数量来达到补偿目的。这类补偿装置可以补偿三相无功同时 ，还可以针对某相所需无功进行分相补偿 。用于三相不平衡的负荷情况时 ，比共补型补偿装置的效果好 。
此类混补型无功补偿装置适用于三相负荷不平衡的城网 、农网 、房地产 、工业等场合 。

3功率平衡型无功补偿装置
这类装置通过检测三相电流和三相电压进行综合计算,控制各相电容器的投入方式和数量来达到补偿和调整不平衡电流的目的 。与分混合型补偿装置本质不同的是 ，这类补偿装置利用了在相间跨接电容器可以相间转移有功电流的原理.通过在各相与相之间及各相与零线之间接入不同数量电容器的方法 ，不但可以使各相的无功电流均获得良好的补偿 ，还可以将三相间的不平衡有功电流调整至平衡 。这类补偿装置用于三相电流不平衡的负荷情况时 ，可以使三相功率平衡,三相电压更稳定 。
此类功率平衡型无功补偿装置目前是混补型无功补偿装置的升级版 ，是今后无功补偿发展的方向 ，现已成功应用于山东城网 、农网之中 。

二 、以电容器的控制投入方式为出发点的补偿装置分类
1交流接触器控制投入型补偿装置
最先应用于低压电容器投切的开关是交流接触器，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（涌流最大时可能超过100倍电容器额定电流） 。

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的投切方式谐波污染大 、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 ；而分闸时时序恰好相反 ，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 ，所以其在低压电容器投切领域的应用将越来越少 。
此类补偿装置价格低廉 ，可靠性较高 ，应用最为普遍 。由于交流接触器的触头寿命有限 ，不适合频繁投切 ，因此这类补偿装置不适用负荷频繁变化的场合 。

2晶闸管控制投入型补偿装置
这类补偿装置就是SVC分类中的TSC子类 。由于晶闸管很容易受涌流的冲击而损坏，因此晶闸管必须过零触发 ，就是当晶闸管两端电压为零的瞬间发出触发信号 。
过零触发技术可以实现无涌流投入电容器 ，另外由于晶闸管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 。晶闸管导通电压降约为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 ，则晶闸管额定导通损耗为145×1×3=435W） ，必须使用大面积的散热片并使用通风扇 。

晶闸管对电压变化率（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 。
此类补偿装置反应速度快 ，重复投切时间短适用于负荷（轧机 、点焊机 、行吊等）频繁变化的场合 。缺点价格高 、损耗大 。

3复合开关控制投入型补偿装置
当仔细分析研究了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 ，这就是开发复合开关的基本思路 ，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 。这种看似很理想的复合开关自从2002 年开始 ，由原来全国仅数家企业研发生产 ，至今已扩展到数十家企业 ，虽外型结构或电路有所不同 ，但内在原理基本相同 ：用小形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 ，其过零检测元件是一粒电压过零型光耦双向可控硅 。

复合开关技术既使用可控硅又使用继电器 ，于是结构就变得相当复杂 ，并且由于可控硅对dv/dt的敏感性也比较容易损坏 。复合开关适用于负荷变化不快的城网 、农网 、房地产等场合 。

4同步开关控制投入型补偿装置
是近年来最新发展起来的高性能投切开关 ，传统的机械开关与现代微电子技术结合的产物 。它吸收了交流接触器控制结构简单 ，复合开关零电压投入 、零电流切除等优点 ，成功地将投入 、切除时瞬间涌流控制在3倍额定运行电流以内 ，彻底解决了在电容器投切过程中出现的高电压谐波和大涌流等问题 ；同步开关以单片机为核心 ，辅以高精度的采样回路和合理的程序设计来替换复合开关中最易损坏的可控硅元件 ，不仅避免了可控硅组件所容易出现的故障 ，还将选相精度从原来复合开关的2～5电度角提高到1～3电度角 ，真正意义的做到了无涌流 ，实现了理想的过零投切 。

由于同步开关应用了单片机技术 ，不仅能通过RS485通讯控制方式对多至64路电容器进行控制 ，还具备通讯功能 ，可将基层单位的电测量信息实时发送到上级电网 ，为发展智能化电网作好准备 ；同步开关可以实现共补 、分补 、相间 ，以适应用户的不同需求 ；由于同步开关的驱动功耗仅有1-3W ，最大限度的做到了节约能源 。

同步开关适用于负荷变化不快的城网 、农网 、房地产等场合 。因其性能和价格优于复合开关 ，现已批量用于山东电网JP柜中 ，不久将取代了复合开关成为城农网低压无功补偿投切元件的地位 。

三 、补偿装置中使用的电容器

（1）50～60年代 ，称为第一代低压电容器 ，其结构采用油浸式电容器纸作为介质 ，电容元件为扁平元件 ，液体介质采用矿物油（含有PCB有毒物质）等 ，产品体积大 、有功损耗达到0.2%～0.5%左右 ，我国国内型号为BW系列 。

（2）70年代 ，随着金属化膜替代电容器纸的应用 ，电容器元件由扁平式改为圆形结构 ，由于具有自愈性能 ，产品的场强大大提高 ，使产品体积大大缩小 ，为BW系列的40%左右 ，液体介质也大部分采用矿物油或树脂 ，有功损耗在0.12%左右 ，我国国内型号主要为BZMJ系列 。

（3）80年代 ，欧洲各电容器厂家已推出圆柱型结构的称为第三代的 MKP 低压电容器 ，其元件采用7μm左右的金属化膜 ，内充天然油或树脂密封于铝壳中，使体积更加减小，有功损耗降到0.3W/kvar 。由于时间与发展的限制 ，目前国内生产的低压电容器 ，均是从80年代初约7～8年间从国外引进的 ，属于第二代产品 。如无锡 、锦州 、桂林和南京等地电容器厂分别从日本SHIZUKI、比利时ASEA 、意大利ARCOTRONICS 和意大利ICAR引进了生产技术与关键设备 ，其产品结构为方形或椭圆形 ，一般使用8μm金属化膜 ，统计使用寿命平均在2～6年左右 。

（4）随着电器产品向小型化 、无油化和环保化方向发展的趋势 ，第四代最新充气型低压电容器（GMKP） ，采用5～6μm金属化膜填充特殊保护气体 ，内置独特的安全型保护装置 ，其关键特点是实现了介质的革命 ，实现了电介质的气体化 。从而产生了理论上真正的干式电容器以及具有防火阻燃 ，安全可靠等多种特点的新一代产品 。

近年来 ，国内电力电容器行业的发展极其迅猛 。产品的质量和数量都有了大幅度的提升 ，相当一部分优势企业已开始问鼎国际市场并取得了不俗的业绩 。随着电力工业的快速发展 、技术进步以及无功补偿 、节能降损管理的加强 ，电力电容器制造企业遇到了前所未有的发展机遇 。使电力电容器的市场迅速扩大 ，同时也引发了许多领域对电力电容器的大量需求 。

智能电容器集成了现代测控 ，电力电子 ，网络通讯，自动化控制 ，电力电容器等先进技术 。改变了传统无功补偿装置落后的控制器技术和落后的机械式接触器或机电一体化开关作为投切电容器的投切技术 ，改变了传统无功补偿装置体积庞大和笨重的结构模式 ，从而使新一代低压无功补偿设备具有补偿效果更好 ，体积更小，功耗更低 ，价格更廉 ，节约成本更多 ，使用更加灵活 ，维护更加方便 ，使用寿命更长 ，可靠性更高的特点 ，适应了现代电网对无功补偿的更高要求 。

智能电容器是最近几年无功补偿发展的新产品 ，已应用于城网 ，农网 ，房地产等场合 ，但是由于其价格比分立元件高 ，大部分用户暂时未能接受 。

四 、补偿装置中使用的控制器

最早的无功补偿控制器是以功率因数为依据进行控制的 ，这种控制器因为价格低廉现在仍然在使用 。以功率因数为依据进行控制的最大问题就是轻载振荡 。例如 ：一台补偿装置里最小的电容器容量是10Kvar ，负荷的感性无功量为5Kvar且功率因数为滞后0.5 。这时 ，投入一台电容器则功率因数变为超前0.5 ，切除电容器则功率因数变为滞后0.5 ，于是震荡过程就会没完没了地进行下去 。

较新型的无功补偿控制器都是以无功功率为依据进行控制的 ，这就要求必须具备设定功能 ，可以对补偿装置中的电容器容量进行设定，从而可以根据负荷无功量决定怎样投入电容器 ，因此可以消除轻载振荡现象 。

随着技术的不断进步 ，无功补偿控制器的附加功能也越来越多 ，如数据存储 ，数据通讯 ，谐波检测 ，电量检测等等 。使用的控制元件也从最初的小规模集成电路到8位单片机 ，再到16位单片机 ，再到16位DSP ，直至最高级的32位单片机 。现在的32位单片机的价格已经降到30多元一片 ，对控制器的硬件成本已经没有多少影响 ，其性能超过8位单片机100倍以上 ，难以普及的原因主要是技术开发难度太大。

五 、补偿装置与其他设备的组合

随着无功补偿装置应用的不断普及 ，补偿装置与其他设备的组合是一个必然趋势 。例如补偿装置与计量箱的组合 ，补偿装置与开关箱的组合等 。组合装置可以降低成本 ，减少占用空间 ，减少连接线 ，减少维护工作量 。组合装置的设计制造没有技术难度 ，只是因为没有统一的标准 ，所以生产厂商只能根据订货来组织生产 。