，，，，

（1.天津電氣傳動設(shè)計研究所有限公司，天津 300180；2.蘇州電器科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇蘇州215104）

1 引言

電力系統(tǒng)中為了降低線路損耗、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量，通常在用戶端或變電所進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置（簡稱補(bǔ)償裝置）簡單經(jīng)濟(jì)、易于控制是無功功率補(bǔ)償最為常用的方法。

補(bǔ)償裝置是低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的特殊類別。它既有成套設(shè)備的一般特性，同時又有電容器、電抗器、控制器等元件的特殊要求。IEC 61439系列是低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)，闡明了其使用條件、結(jié)構(gòu)要求、技術(shù)性能和試驗?？紤]到GB/T 15576—2008［1］（下簡稱 15576）與 IEC 60439—1：1999［2］（下簡稱IEC 60439—1）的關(guān)聯(lián)性，隨著 IEC 61439—1 Edition 2.0［3］（下簡稱 IEC 61439—1）的國產(chǎn)化，低壓補(bǔ)償裝置的標(biāo)準(zhǔn)會做出相應(yīng)調(diào)整。本文通過IEC 61439—1（IEC 61439—1有3種驗證方式，本文僅討論試驗驗證verification test。）與IEC 60439—1的差異給出了涉及補(bǔ)償裝置新增及變動的試驗項目。隨著對電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的提升，抑制涌流與諧波在補(bǔ)償裝置中有了更高要求。本文結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)與實際試驗分析了電抗器對補(bǔ)償支路電氣參量的影響以及對涌流、諧波、溫升試驗的影響，并對15576中部分有待完善電氣性能試驗條款進(jìn)行分析，由于IEC 61439不涉及15576中電氣性能試驗部分，所以439系列標(biāo)準(zhǔn)換版對此部分沒有影響。希望得出的結(jié)論對生產(chǎn)企業(yè)制定技術(shù)條件、產(chǎn)品設(shè)計以及標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)有所幫助。

2 15576有變化的試驗項目

2.1 IEC 61439—1新增的試驗項目

2.1.1 材料與部件的強(qiáng)度

IEC 61439—1對空殼體的要求與試驗和IEC 62208/GB/T 20641［4］基本等同。IEC 61439—1 增加了針對殼體的以下試驗：耐腐蝕、絕緣材料耐熱性、灼熱絲、耐老化、提升、機(jī)械沖擊、標(biāo)志試驗。

15576中所涉及殼體試驗的部分為7.17基本環(huán)境試驗，包含環(huán)境溫度、耐老化、耐腐蝕3項試驗。IEC 61439—1中耐腐蝕與耐老化試驗與15576中的相同點在于試驗方法基本相同，需要注意的是IEC 61439—1耐腐蝕性試驗嚴(yán)酷等級B與15576中對應(yīng)的試驗細(xì)節(jié)不同：一為2個12合計24 d的存儲；另一為12和14合計26 d的存儲。不同之處為IEC 61439—1中的此兩項試驗并不僅限于戶外型設(shè)備，而15576中的殼體試驗僅考慮戶外型。

15576中7.17.1環(huán)境溫度性能試驗?zāi)康臑榭己撕娮悠骷难a(bǔ)償裝置在規(guī)定的環(huán)境空氣溫度上限和下限情況下長期運行的可靠性。IEC 61439—1中不含此項試驗。

IEC 61439—1中的絕緣材料耐熱性、提升、機(jī)械沖擊、標(biāo)志、灼熱絲幾項試驗為15576所不包含項目，這幾項試驗在此不詳述見文獻(xiàn)［4］。

2.1.2 沖擊耐受電壓

IEC 60439—1中7.1.2.3.4和8.2.2.1給出了免除沖擊耐受電壓的條件，而IEC 61439—1中對于沖擊耐受電壓試驗為強(qiáng)制性。有關(guān)試驗方法見文獻(xiàn)［1］。這里要注意的是對抽出式補(bǔ)償裝置在IEC 61439—2中對抽出式部件隔離位置的試驗布置有特別要求。

2.2 有變化的試驗項目

2.2.1 工頻耐受電壓

IEC 61439—1與IEC 60439—1關(guān)于同一額定絕緣電壓對應(yīng)的試驗電壓值有所變化。以補(bǔ)償裝置常見的額定絕緣電壓690 V為例，IEC 61439—1中試驗電壓為1 890 V，而IEC 60439—1為2 500 V。

另外，對于試驗用變壓器的輸出短路電流也有變化：IEC 61439—1要求試驗用變壓器輸出端子短路時輸出電流至少200 mA，而IEC 60439—1只要求交流電源有足夠功率維持試驗電流。

實際當(dāng)中，用于投切電容器的復(fù)合開關(guān)或晶閘管開關(guān)主要由電力電子元件組成，其相相之間耐壓一般達(dá)不到主回路相應(yīng)的要求。此處的試驗布置宜在15576中有所描述。

2.2.2 防護(hù)等級

對于IPX1而言IEC 61439—1放寬了試驗條件，允許以移動滴水箱代替轉(zhuǎn)動試品。IEC 60439—1嚴(yán)格按IEC 60529/GB 4208的要求不允許移動滴水箱。

2.2.3 機(jī)械操作

IEC 61439—1對于機(jī)械操作的次數(shù)由IEC 60439—1的50次變?yōu)?00次。這對于補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求更為嚴(yán)酷。

3 15576部分試驗條款討論

3.1 諧波試驗

3.1.1 電抗器

電抗器對于涌流、溫升、諧波等試驗均有影響首先進(jìn)行討論。

圖1為補(bǔ)償裝置含電抗器支路單相示意圖。對于三相電路由于電源與負(fù)載的對稱性單相分析結(jié)果適用于三相。圖1中開關(guān)S為補(bǔ)償支路保護(hù)器件和投切裝置的合并簡化，由于支路各個元件間連接線很短故可認(rèn)為支路的電阻為零。XhL與XhC為電抗器、電容器在h次諧波下的阻抗值，h=1為基波條件，此時下標(biāo)1省略且XL?XC，并定義電抗率X%=XL/XC。

圖1 補(bǔ)償裝置支路示意圖Fig 1 Diagram of compensation assemblies′branch

串聯(lián)在補(bǔ)償裝置支路的電抗器用途主要為抑制涌流與濾波。抑制涌流利用了電抗器電流不能突變的原理，一般工程中采用電抗率為0.1%～1%的電抗器。實際中有很多補(bǔ)償裝置不配有串聯(lián)電抗器，此時系統(tǒng)電抗和變壓器漏抗起到了抑制涌流作用。當(dāng)補(bǔ)償裝置容量較大變壓器漏抗較小時，僅由系統(tǒng)的電抗便不能滿足抑制涌流的要求，從而需要加裝電抗器。濾波的基本原理是使電抗器與電容對某次諧波呈現(xiàn)低阻抗，即串聯(lián)諧振使得諧波電流被短路到本支路。此時電抗率的選擇要依據(jù)濾波次數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)而定。由于諧波無功功率尚未有定義。本文中無功功率僅指基波。

首先分析基波時的情況。

可見支路串聯(lián)電抗器后電容器端電壓和電流幅值與不串聯(lián)電抗器相比會隨電抗率增大而增大。對電容量不可調(diào)電容器而言其不變電氣參數(shù)為其電容量即C，在基頻下XC恒定。電容器額定電壓VCn，額定電流ICn，則額定容量額定電流ICn=VCn/XC，運行容量一般情況下，制造商會選擇額定電壓大于補(bǔ)償裝置額定電壓的電容器，以留有設(shè)計上一定的裕度。但此時仍應(yīng)考慮當(dāng)X%增大導(dǎo)致VC＞VCn時，過壓過流給電容器帶來的危險。另外當(dāng)補(bǔ)償裝置分支不串聯(lián)電抗器，即X%=0，QC一般小于QCn，說明支路不帶串聯(lián)電抗器補(bǔ)償裝置的電容器運行于其額定容量以下。

3.1.2 LC無源濾波基本原理

圖1中從電壓輸入端看支路在h次諧波下的阻抗值Zh=h·XL-XC/h=XC（h·X%-1/h）。諧振點

當(dāng)h2=1/X%或h2接近于1/X%支路對h次諧波電流呈現(xiàn)低阻抗，使得諧波電流不流入系統(tǒng)。

圖2為電氣系統(tǒng)諧波等效電路，這里將諧波源簡化為電流源［5］。Xhs表示系統(tǒng)在h次諧波下的感抗，基頻下低壓系統(tǒng)感抗已不能認(rèn)為遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻。但本段中系統(tǒng)感抗為基頻值經(jīng)h倍放大而電阻在任何次諧波下為常量，故省略電阻部分。經(jīng)計算可得：

對h次諧波：當(dāng)XhL＞XhC即補(bǔ)償支路對h次諧波呈感性。補(bǔ)償支路起分流作用流入系統(tǒng)諧波電流減?。划?dāng)XhL=XhC補(bǔ)償支路對h次諧波短路，諧波電流完全流入補(bǔ)償支路；當(dāng)XhL＜XhC即補(bǔ)償支路對h次諧波呈容性。流入系統(tǒng)諧波情況隨（XhL-XhC）與Xhs關(guān)系而變化放大或縮小。不含電抗器電容器支路對諧波環(huán)境影響的分析方法及結(jié)論與上述類似有興趣的讀者可見文獻(xiàn)［5-6］。

圖2 電氣系統(tǒng)諧波等效電路Fig 2 The electric system harmonic equivalent circuit

由以上分析可知，補(bǔ)償支路對h次諧波呈容性時有放大系統(tǒng)諧波的可能性；濾波的設(shè)計要綜合考慮系統(tǒng)與補(bǔ)償裝置的參數(shù)。本段的分析認(rèn)為電容器與電抗器的物理參數(shù)不變，實際設(shè)計中要考慮這些參數(shù)隨環(huán)境參數(shù)比如：溫度、濕度、大氣壓等的變化。

3.1.3 15576中諧波標(biāo)準(zhǔn)評述

15576中對于諧波方面的標(biāo)準(zhǔn)主要引用文獻(xiàn)［7］，并按總諧波電流濾除率來區(qū)分濾波及抑制諧波。

文獻(xiàn)［7］中對于每個電壓等級下各次諧波電流均有限值要求，但實際使用或試驗時由于系統(tǒng)短路阻抗及協(xié)議容量等參數(shù)難以確定，故各次電流諧波限值難以確定。文獻(xiàn)［7］中對于15576所適用的交流1 000 V及以下設(shè)備僅有380/400 V一檔電壓電流要求，而對于礦業(yè)常用的690 V及作者所接觸過的800 V，1 000 V柜體無任何規(guī)定。使得文獻(xiàn)［7］在部分試驗條件下判據(jù)失效，例如對于額定電壓690 V帶濾波補(bǔ)償裝置的試驗而言諧波電壓的判據(jù)不存在。由以上分析可知補(bǔ)償設(shè)備支路對某一次諧波有抑制或濾除作用時，對另一次諧波有放大可能。舉例：實踐中某補(bǔ)償裝置的總諧波電流及5次諧波電流在設(shè)備投入后減小但7次諧波電流增大。補(bǔ)償裝置目的為改善電能質(zhì)量，這種部分諧波電流被放大的情況明顯違背了初衷。更為合理的判定方法應(yīng)該將各次與總諧波電流綜合考慮。

從以上分析可知，當(dāng)一個補(bǔ)償裝置含有針對兩種及兩種以上諧波進(jìn)行濾波的分支時，各個分支不同的投切順序會對于系統(tǒng)諧波有不同影響。建議制造商給出相應(yīng)的投切順序，以免引起諧波放大。

3.2 溫升試驗

15576中7.3規(guī)定溫升試驗電壓應(yīng)使電容器支路電流不小于其額定電流，由3.1.1中可得出

即溫升試驗分支電流大小可通過調(diào)節(jié)試驗電壓幅值進(jìn)行改變。當(dāng)補(bǔ)償裝置支路含電抗器時電壓升高幅度要低于不含電抗器的情況。須注意V的升高有可能導(dǎo)致電容器過壓運行。當(dāng)補(bǔ)償裝置中有多種額定電壓不同的電容器時由于各支路從同一母排取電單靠調(diào)節(jié)電壓幅值很難達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中對電流的要求。例如：額定電壓380 V的不含電抗器補(bǔ)償裝置分支含400 V和450 V兩種電容器。當(dāng)調(diào)節(jié)試驗電壓為450 V時可滿足標(biāo)準(zhǔn)中對試驗電流的要求，但此時部分電容已處于過壓狀態(tài)。

3.3 涌流試驗

補(bǔ)償裝置分支合閘并入系統(tǒng)瞬間，將會產(chǎn)生高頻、高幅值的合閘涌流。涌流過大將會造成電容器損傷、保護(hù)裝置誤動，其電動力會造成設(shè)備結(jié)構(gòu)損傷，尤其對于頻繁投切的場所涌流的控制尤為重要。

按照線性動態(tài)電路理論，圖1中開關(guān)閉合后涌流大小與電源電壓、電容與電感的參數(shù)、電容器投入前電壓有關(guān)。涌流大小及分析方法見文獻(xiàn)［6，8］。可以得出，當(dāng)在電源電壓瞬時值與幅值接近時投入產(chǎn)生涌流最大；補(bǔ)償支路的電抗器可以有效地減小涌流；由于電氣系統(tǒng)三相對稱性當(dāng)三相同一時刻合閘，三相電流不會同時達(dá)到最大或最小，可以通過分相延時投切使得每一路涌流達(dá)到最小。

15576中未明確規(guī)定涌流的試驗電壓，由于試驗電壓幅值對合閘后電壓電流的影響很大所以試驗電壓的規(guī)定尤為重要。實際使用或試驗中隨著補(bǔ)償裝置各個分支的投入系統(tǒng)電壓逐步升高，此時至少應(yīng)對所考察支路投入時電壓進(jìn)行記錄以保證試驗的準(zhǔn)確性；再者，涌流試驗?zāi)康氖菫榱吮Ｗo(hù)支路元件不受過流影響，考慮到電容的增壓作用所以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對最后一路進(jìn)行試驗。實際使用中由于系統(tǒng)電氣參量的瞬變性以及手動投切的隨機(jī)性每一條支路均有可能作為最后一路。所以標(biāo)準(zhǔn)宜將“最后一路”改為對參數(shù)不同支路分別進(jìn)行試驗。按電路理論涌流與電容投入前殘壓有關(guān)，且多數(shù)投切開關(guān)對于連續(xù)兩次投切時間間隔也有定義，故試驗時應(yīng)在電容器放電完畢后進(jìn)行或在制造商規(guī)定時間間隔后進(jìn)行。

3.4 其他

15576中試驗條款7.1.6要求對機(jī)電開關(guān)電容器投入時端電壓進(jìn)行測量，要求不大于電容器額定電壓10%；同時對裝置瞬態(tài)過電壓進(jìn)行測量，要求在額定電壓以下。

此兩點在標(biāo)準(zhǔn)中表達(dá)比較含混。實際上瞬態(tài)過電壓的測量可以結(jié)合涌流試驗一并完成。而電容器再次投入殘壓需要標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步的說明，其中原文“一定的延時時間”應(yīng)給出具體的要求。

4 結(jié)論

本文通過對照IEC 61439—1與IEC 60439—1不同之處，給出了IEC 61439—1國產(chǎn)化后補(bǔ)償裝置標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)有可能要增加和修改的地方。其中主要增加了對殼體的試驗。分析了電抗器在補(bǔ)償裝置中的用途，支路串聯(lián)電抗器對補(bǔ)償裝置性能有提升但對電容器運行能力有所要求。根據(jù)試驗經(jīng)驗對諧波、涌流、溫升等試驗中有待完善的地方提出了一些建議。

［1］GB/T 15576—2008低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置［S］北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［2］GB 7251.1—2005/IEC 60439—1∶1999低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備.第1部分：型式試驗和部分型式試驗成套設(shè)備［S］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［3］IEC 61439—1 Low-voltage Switchgear and Controlgear Assemblies-part 1：General Rules［S］.Edition 2.0 2011—08.

［4］GB/T 20641—2006/IEC 62208：2002低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備空殼體的一般要求［S］.北京：中國國家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［5］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［6］電力行業(yè)電力電容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.并聯(lián)電容器裝置技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［7］GB/T 14549—1993：電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

［8］鄧雨榮.無功補(bǔ)償電容器合閘過電壓及涌流的仿真計算［J］.廣西電力，2006（6）：6-9.