劉 朋

0 引 言

伴隨科技發(fā)展,無功補(bǔ)償裝置經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜的“演變”過程,其主要方式有并聯(lián)電容法和電力電子補(bǔ)償法。并聯(lián)電容器是我國應(yīng)用較多的一種無功補(bǔ)償方法,按照電容投切方式可分為晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor,TSC) 、機(jī)械式投切電容器(Mechanically Switched Capacitor,MSC),但是單純并聯(lián)電容器方式的裝置不能吸收無功功率,投入和切除較慢,且補(bǔ)償?shù)臒o功均為固定容量,無法動態(tài)補(bǔ)償,容易造成過補(bǔ)或欠補(bǔ)的情況。靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator,SVG)是如今較為先進(jìn)的補(bǔ)償技術(shù),具有響應(yīng)速度快、運(yùn)行范圍寬、產(chǎn)生諧波少等優(yōu)點(diǎn),但由于電力電子器件的開關(guān)頻率和經(jīng)濟(jì)條件的約束,其補(bǔ)償容量往往不能直接滿足需求。

低壓混合式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置由SVG和晶閘管投切電容器構(gòu)成,根據(jù)硬件和控制策略的調(diào)整,可實(shí)現(xiàn)TSC三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ),配合SVG同時(shí)使用,從而可實(shí)現(xiàn)三相不平衡無功的動態(tài)補(bǔ)償。該類無功補(bǔ)償裝置采用了TSC與SVG混合補(bǔ)償?shù)姆绞?克服了TSC有級補(bǔ)償以及SVG補(bǔ)償容量不足的缺點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)了大范圍的精確動態(tài)補(bǔ)償,并兼顧TSC和SVG各自優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)有無功補(bǔ)償需求下具有較大的優(yōu)越性,是低壓無功補(bǔ)償裝置的發(fā)展方向。

本文主要探討TSC的低壓無功補(bǔ)償裝置和低壓混合式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的檢測標(biāo)準(zhǔn)的差異,以及對比分析情況。

1 標(biāo)準(zhǔn)差異研究分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)適用范圍的差異

GB/T 15576—2020《低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置》適用于額定交流電壓不超過1 000 V(或1 140 V),頻率不超過1 000 Hz的低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置[1]。T/CPSS 1001—2019《低壓混合式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置》適用于50 Hz,額定工作電壓1 000 V(或 1 140 V)低壓配電系統(tǒng),含有投切開關(guān)、電容器、串聯(lián)電抗器(可選)和電壓型變流器的并聯(lián)型無功補(bǔ)償裝置[2]。兩份標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定裝置適用頻率不同,且T/CPSS 1001—2019規(guī)定了裝置主要元件,明確了裝置必須裝配電壓型變流器。

1.2 術(shù)語和定義的差異

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)主要根據(jù)各自規(guī)定類別的裝置進(jìn)行了相關(guān)術(shù)語定義。GB/T 15576—2020主要定義低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置和集成低壓無功功率補(bǔ)償裝置的構(gòu)成,以及根據(jù)低壓成套無功功率補(bǔ)償裝置安裝位置定義集中補(bǔ)償裝置、分組補(bǔ)償裝置、末端補(bǔ)償裝置和相間補(bǔ)償裝置。另外,還定義了涌流和動態(tài)響應(yīng)時(shí)間等8個(gè)技術(shù)參數(shù)。

T/CPSS 1001—2019主要定義低壓混合式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置,明確給出構(gòu)成該裝置的主要部件——無源組件和有源組件的定義。同時(shí),給出無功功率補(bǔ)償控制等5個(gè)技術(shù)參數(shù)的定義,其中動態(tài)響應(yīng)時(shí)間的定義與GB/T 15576—2020中有較大差異。GB/T 15576—2020對動態(tài)響應(yīng)時(shí)間的說明是從系統(tǒng)無功變化達(dá)到設(shè)定值時(shí)刻起到裝置輸出無功時(shí)的時(shí)間間隔;T/CPSS 1001—2019中定義從補(bǔ)償對象開始突變到裝置輸出無功達(dá)到目標(biāo)值的90%所需時(shí)間。動態(tài)響應(yīng)時(shí)間示意圖如圖1所示。

圖1 動態(tài)響應(yīng)時(shí)間示意圖

T/CPSS 1001—2019定義的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間為電力行業(yè)內(nèi)所普遍接受,在有源型電能質(zhì)量治理裝置標(biāo)準(zhǔn)中對動態(tài)響應(yīng)時(shí)間的定義方式基本與本標(biāo)準(zhǔn)相同[3]。

1.3 裝置分類方式的差異

GB/T 15576—2020中分別根據(jù)使用場所、安裝位置、補(bǔ)償相數(shù)、投切電容器的元件類型和有無抑制諧波或?yàn)V波功能5種方式劃分為不同類別的裝置。

T/CPSS 1001—2019根據(jù)電氣接線方式分為三相三線和三相四線型,根據(jù)三相無功補(bǔ)償方式把裝置分為共補(bǔ)型、分補(bǔ)型和共分補(bǔ)型。

1.4 裝置使用條件的差異

GB/T 15576—2020中分別從正常使用條件的空氣溫度(含戶內(nèi)和戶外裝置)、濕度條件(含戶內(nèi)和戶外裝置)、污染等級、海拔和安裝地點(diǎn)條件,以及特殊使用條件說明裝置可以安裝使用的場景。T/CPSS 1001—2019中分別從周圍空氣溫度(含戶內(nèi)和戶外裝置)、相對濕度、污染等級、海拔、抗震水平和電氣條件,以及特殊使用條件說明裝置可以安裝使用的場景。

其中,兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在空氣溫度和濕度條件,以及污染等級的使用條件基本相同。海拔高度使用條件上,GB/T 15576—2020規(guī)定的無功補(bǔ)償裝置安裝地點(diǎn)的海拔高度不超過2 000 m,T/CPSS 1001—2019要求安裝地點(diǎn)海拔高度規(guī)定不應(yīng)超過1 000 m,如果安裝地點(diǎn)海拔高度超過1 000 m,應(yīng)對相關(guān)的溫升限值和絕緣等進(jìn)行修正。T/CPSS 1001—2019中增加了抗震水平,規(guī)定安裝地點(diǎn)無劇烈振動及顛簸,安裝傾斜度不大于5°。在電氣條件的規(guī)定中,T/CPSS 1001—2019明確混合式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置的適用電網(wǎng)條件:電壓變化范圍為85%UN～115%UN,相比GB/T 15576—2020規(guī)定的無功補(bǔ)償裝置適用電壓波動不超過±10%額定工作電壓的范圍要更大。這反映出混合式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置由于電力電子模塊的存在,使得整個(gè)裝置的電氣適用性增強(qiáng)。

1.5 裝置基本防護(hù)差異

GB/T 15576—2020中第7.4.2條基本防護(hù)旨在防止直接與危險(xiǎn)帶電部分接觸。能夠利用裝置本身適宜的結(jié)構(gòu)措施,或在安裝過程中采取的附加措施來獲得基本防護(hù)。并指出兩種基本防護(hù)方式:一種是第7.4.2.2條由絕緣材料提供基本絕緣,危險(xiǎn)帶電部分應(yīng)用絕緣完全覆蓋。另一種是第7.4.2.3條采用擋板或外殼方式,用空氣絕緣的帶電部分應(yīng)安置在至少提供IPXXB防護(hù)等級的外殼內(nèi)或擋板的后面;導(dǎo)電的擋板或外殼與帶電部分的距離應(yīng)不小于第7.3條規(guī)定的電氣間隙與爬電距離。同時(shí),第7.2.2條中要求防止觸及帶電部分以及外來固體和水進(jìn)入的防護(hù)等級,戶內(nèi)使用裝置防護(hù)等級不低于IP20,戶外使用裝置防護(hù)等級不低于IP44。

T/CPSS 1001—2019中第6.5條指出戶內(nèi)使用裝置防護(hù)等級不低于IP20,操作面板防護(hù)等級不低于IP40;戶外使用裝置防護(hù)等級不低于IP44。

1.6 裝置的控制和保護(hù)功能的差異

GB/T 15576—2020中主要針對的是由電容器和控制投切裝置來實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償裝置,第8.6.1條一般要求說明對自動控制投切的設(shè)備應(yīng)設(shè)有工頻過電壓保護(hù),對非自動控制投切的設(shè)備,宜裝有過電流保護(hù)。同時(shí),詳細(xì)規(guī)定了工頻過電壓保護(hù)、涌流保護(hù)和缺相保護(hù)的內(nèi)容。

T/CPSS 1001—2019第5.3條控制功能規(guī)定了無功功率補(bǔ)償控制、功率因數(shù)補(bǔ)償控制、電壓控制(可選)、諧波濾除(可選)、三相不平衡補(bǔ)償(可選)共5個(gè)控制功能。結(jié)合有源模塊功能,該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了7項(xiàng)保護(hù)功能,即交流輸入欠壓保護(hù)(可選)、交流輸入過壓保護(hù)、輸出過電流保護(hù)、諧波超限保護(hù)、缺相保護(hù)、自恢復(fù)(可選)和溫度保護(hù)。

T/CPSS 1001—2019第5.3條和GB/T 15576—2020第8.6.1條內(nèi)容對比如表1所示。

表1 T/CPSS 1001—2019第5.3條和GB/T 15576—2020第8.6.1條內(nèi)容對比

1.7 裝置性能試驗(yàn)的差異

裝置在性能試驗(yàn)方面主要是動態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)、諧波濾除率試驗(yàn)、三相不平衡補(bǔ)償試驗(yàn)、損耗試驗(yàn)和過載能力試驗(yàn)等。

1.7.1 動態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

動態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)作為關(guān)鍵的測試項(xiàng)目,兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對該項(xiàng)目的定義,根據(jù)裝置本身的特點(diǎn)有明顯的差異。GB/T 15576—2020中主要針對具有投切電容器的元件控制投切的裝置,投切元件如機(jī)電開關(guān)、半導(dǎo)體電子開關(guān)(如晶閘管)和復(fù)合開關(guān)。針對這類型裝置,采用半導(dǎo)體電子開關(guān)或復(fù)合開關(guān)投切的裝置,其動態(tài)響應(yīng)時(shí)間不大于1 s。具體的測試方法:裝置在額定電壓的自動工作狀態(tài),主電路中投入大于設(shè)定值的感性負(fù)荷,檢測感性負(fù)荷電壓的變化,記錄該時(shí)刻為T1,同時(shí)檢測電容器投入的電流變化,記錄補(bǔ)償電容器輸出電流發(fā)生變化的時(shí)刻T2,裝置的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間T為T2-T1,試驗(yàn)3次取最長時(shí)間T值。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.3條動態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn),分別針對有源組件和整個(gè)裝置做了兩方面的規(guī)定說明。第7.9.3.1條有源組件動態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn),首先斷開裝置內(nèi)無源組件,設(shè)置裝置為無功功率補(bǔ)償模式,調(diào)節(jié)無功負(fù)載,使其從0到有源組件額定容量的90%,然后從補(bǔ)償對象開始突變到裝置輸出達(dá)到目標(biāo)值的90%,用測試儀器分別記錄測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)3的電壓和電流波形數(shù)據(jù),并且據(jù)此分析該工況下裝置的響應(yīng)時(shí)間。第7.9.3.2條動態(tài)響應(yīng)時(shí)間于試驗(yàn)同第7.9.3.1條的規(guī)定,僅要求裝置為正常的無功功率補(bǔ)償模式。性能試驗(yàn)平臺示意圖如圖2所示。

圖2 性能試驗(yàn)平臺示意圖

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對于該類裝置關(guān)鍵參數(shù)動態(tài)響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)規(guī)定有明顯的不同,GB/T 15576—2020規(guī)定了整個(gè)裝置的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn),且試驗(yàn)方法中明確說明裝置補(bǔ)償?shù)氖且敫行载?fù)荷變化的情況。這是因?yàn)樵擃愌b置僅能補(bǔ)償感性無功變化的情況,同時(shí)也是該類裝置的局限性所在。T/CPSS 1001—2019則對混合無功補(bǔ)償裝置的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間做出了兩方面說明,即單獨(dú)有源組件和完整裝置兩種情況的試驗(yàn)方法進(jìn)行規(guī)定;并且根據(jù)混合無功補(bǔ)償裝置對于感性無功或是容性無功均可補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn),試驗(yàn)方法中并未規(guī)定裝置需要在感性無功負(fù)荷變化或是容性無功負(fù)荷變化的情況。

1.7.2 諧波抑制或諧波濾除率試驗(yàn)

隨著電氣系統(tǒng)中電力電子化的加速,諧波出現(xiàn)在越來越多的應(yīng)用場景中,這樣諧波抑制或諧波濾除就顯得尤為重要。GB/T 15576—2020中說明具備抑制諧波或?yàn)V波功能的裝置,根據(jù)用電場所的諧波參數(shù),按照GB/T 14549—1993中公用電網(wǎng)諧波電壓限值及諧波電流允許值,滿足用戶的需求。對于具備抑制諧波功能的裝置,投入后系統(tǒng)諧波電流含量不應(yīng)增加;具備濾波功能的裝置,投入后系統(tǒng)的電流諧波含量至少應(yīng)減少到裝置投入前系統(tǒng)電流諧波含量的50%。

T/CPSS 1001—2019中第7.9.5條中說明該項(xiàng)目為可選擇測試項(xiàng)目,僅針對具備諧波濾除功能的補(bǔ)償裝置。具備諧波濾除功能的補(bǔ)償裝置的濾除能力應(yīng)達(dá)到中國電源學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1002—2018《低壓有源電力濾波裝置》第5.4條性能要求的限值,即當(dāng)負(fù)載電流畸變率≥20%時(shí),總諧波補(bǔ)償率≥85%;當(dāng)負(fù)載電流畸變率<20%時(shí),補(bǔ)償之后電力畸變率應(yīng)不大于5%。

1.7.3 三相不平衡補(bǔ)償試驗(yàn)

T/CPSS 1001—2019中第7.9.6條中說明該項(xiàng)目為可選擇測試項(xiàng)目,僅針對具備三相不平衡補(bǔ)償功能的裝置。試驗(yàn)時(shí),在裝置補(bǔ)償范圍內(nèi)調(diào)節(jié)不平衡負(fù)載,測量三相電流數(shù)據(jù),驗(yàn)證三相電流不平衡補(bǔ)償率應(yīng)滿足中國電源學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1001—2018《低壓配電網(wǎng)有源不平衡補(bǔ)償裝置》第5.4條性能要求的不小于90%。標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15576—2020中未提及該測試項(xiàng)目。

1.7.4 損耗測試

T/CPSS 1001—2019中第7.9.7條規(guī)定,補(bǔ)償裝置設(shè)定為無功補(bǔ)償模式。試驗(yàn)時(shí),設(shè)定有功負(fù)載為固定值,調(diào)節(jié)無功負(fù)載使得補(bǔ)償裝置輸出額定容性無功,以此測量圖2中的測量點(diǎn)3無功功率數(shù)據(jù);同時(shí)根據(jù)測量點(diǎn)1和測量點(diǎn)2的有功功率數(shù)據(jù)差值,計(jì)算補(bǔ)償裝置的有功損耗平均值;測得的補(bǔ)償裝置有功損耗值與額定補(bǔ)償容量的比值不應(yīng)超過3%。GB/T 15576—2020中未提及該測試項(xiàng)目。

1.8 電磁兼容性測試

GB/T 15576—2020第9.12條和標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1001—2019第7.17條都對裝置的電磁兼容性能做了要求。GB/T 15576—2020引用了國標(biāo)GB 7251.1—2013/IEC 61439-1:2011《低壓成套開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第1部分:總則》J.10.12的全部條目規(guī)定[4]。T/CPSS 1001—2019共計(jì)列出了5項(xiàng)電磁兼容性要求,主要為引用GB/T 17626系列和GB 17799.4的要求[5]。

1.9 環(huán)境溫度性能試驗(yàn)

GB/T 15576—2020第9.20條和T/CPSS 1001—2019第7.18條都對裝置的環(huán)境溫度性能做了要求,且規(guī)定僅適用于戶外型裝置。GB/T 15576—2020要求裝置在高溫40 ℃±3 ℃和低溫-25 ℃±3 ℃環(huán)境下,均能正常工作。T/CPSS 1001—2019要求裝置在高溫(50±3)℃和低溫(-25±3) ℃環(huán)境下能夠正常運(yùn)行,同時(shí),第7.18.2條要求裝置具有耐濕熱性,當(dāng)裝置不通電的情況下,存放于溫度(40±2) ℃、濕度為(93±3)%RH環(huán)境2 d,恢復(fù)至常態(tài)下,仍能正常運(yùn)行。

2 結(jié) 語

GB/T 15576—2020主要針對的是由控制投切元件和電容器實(shí)現(xiàn)無功功率的補(bǔ)償裝置,T/CPSS 1001—2019主要針對SVG器和晶閘管投切電容器構(gòu)成的裝置,能夠通過有源部件和無源部件的協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)對無功功率的動態(tài)補(bǔ)償裝置?；趦煽钛b置的差異,在適用場景、功能和性能技術(shù)要求等方面而有相應(yīng)的差別,繼而延伸到各技術(shù)參數(shù)的測試方法有所差別。歸根結(jié)底,T/CPSS 1001—2019規(guī)定的技術(shù)內(nèi)容相較于GB/T 15576—2020的內(nèi)容,多出了電力電子裝置的智能保護(hù)、快速響應(yīng)、靈活控制和高效補(bǔ)償性能等。因此,TSC的低壓無功補(bǔ)償裝置可主要依據(jù)GB/T 15576—2020進(jìn)行檢測。針對低壓混合式動態(tài)無功補(bǔ)償裝置可以參考標(biāo)準(zhǔn)T/CPSS 1001—2019進(jìn)行檢測。

此外,GB/T 15576—2020作為推薦性國家標(biāo)準(zhǔn),對于成套無功功率補(bǔ)償裝置針對基礎(chǔ)安全性,提出多個(gè)具體的技術(shù)要求。如對保護(hù)導(dǎo)體、電器元件和附件、內(nèi)部電路、絕緣導(dǎo)線,以及外接導(dǎo)線端子等都一一做了詳盡的要求。而T/CPSS 1001—2019作為電能質(zhì)量領(lǐng)域的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),主要針對將成為發(fā)展趨勢的電力電子化的無功補(bǔ)償裝置的性能參數(shù)、功能特點(diǎn)等給出了較多的技術(shù)要求,如無功功率補(bǔ)償、功率因數(shù)補(bǔ)償和電壓控制。穩(wěn)態(tài)控制精度、動態(tài)響應(yīng)時(shí)間、三相不平衡補(bǔ)償,以及主動式保護(hù)功能等。