劉建業(yè) 楊 軍 陳 杰

（山東華天電氣有限公司）

0 引言

無功補(bǔ)償裝置近年來在汽車制造、冶金、煤炭及配電臺區(qū)等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，負(fù)載的快速變化要求無功補(bǔ)償裝置具有極快的響應(yīng)速度，部分無功補(bǔ)償裝置具有濾除諧波功能。因此，對無功補(bǔ)償裝置檢測設(shè)備也提出了更高的要求。

1 背景需求

傳統(tǒng)無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)（見圖1）由負(fù)載單元（電感柜和電阻柜）、配電柜、調(diào)壓器組成。其占用場地大、損耗高、效率低，所需調(diào)壓器容量大，但由于檢測設(shè)備成本低，因此，仍被大量使用。新型的無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)是理想的無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)（見圖2），由能饋負(fù)載、配電柜、電網(wǎng)模擬柜組成。能饋負(fù)載提供檢測所需要的各種負(fù)載；配電柜為能饋、電網(wǎng)模擬柜、無功補(bǔ)償裝置提供電源；電網(wǎng)模擬柜能夠模擬高低電壓、頻率、電壓不平衡等眾多的電網(wǎng)參數(shù)。其功能完善，但能饋負(fù)載及電網(wǎng)模擬柜價格昂貴，因此現(xiàn)階段未被大量采用。針對現(xiàn)有無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計一種無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)，造價低、體積小且測試功能全面，可滿足不同類型無功補(bǔ)償裝置的測試。

圖1 傳統(tǒng)無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)原理圖

圖2 新型無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)原理圖

圖1、圖2分別為傳統(tǒng)無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)、新型無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)原理圖。

2 無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)研制

針對上述問題及現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文提出一種無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)，包括注入變壓器、整流單元、逆變單元、靜態(tài)開關(guān)STS、模擬負(fù)載單元及設(shè)備控制單元，如圖3所示。整流單元不僅為逆變單元提供直流支撐還要補(bǔ)償待測無功補(bǔ)償裝置發(fā)出的無功，接收設(shè)備控制單元指令自發(fā)電流諧波，因此逆變單元容量為100kvar，整流單元容量為500kvar。

圖3 無功補(bǔ)償檢測系統(tǒng)原理圖

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖3所示，無功補(bǔ)償裝置檢測系統(tǒng)由注入變壓器、整流單元、逆變單元、靜態(tài)開關(guān)STS、模擬負(fù)載單元及設(shè)備控制單元組成。逆變單元接收設(shè)備控制單元指令向注入變壓器注入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電壓，調(diào)節(jié)待測無功補(bǔ)償裝置輸入端電壓，進(jìn)行與待測無功補(bǔ)償裝置過電壓欠電壓相關(guān)試驗(yàn)。整流單元不僅接收設(shè)備控制單元指令自發(fā)電流諧波，同時對逆變單元提供直流支撐；整流單元通過電流互感器CT2及單元內(nèi)部的電壓互感器實(shí)時計算待測無功補(bǔ)償裝置的輸出，產(chǎn)生等容量的感性無功用以抵消待測無功補(bǔ)償裝置產(chǎn)生的容性無功。模擬負(fù)載單元由原副邊匝數(shù)比為一定比例的△型變壓器構(gòu)成，原副邊均為6抽頭。其中變壓器原邊與系統(tǒng)電壓UAB、UBC、UCA連接，副邊Uac通過端子與待檢測設(shè)備A相檢測電流連接，對于△接線，線電壓和相電壓幅值、相位均相等。利用電流采樣線的感抗，將變壓器副邊電壓信號變?yōu)殡娏餍盘?。同時，由于導(dǎo)線電感的存在，電流信號滯后電壓信號90°，可得A相電壓信號（UA）與A相電流信號（IAC）相位差為30°，此時待測無功補(bǔ)償設(shè)備采樣到A相功率因數(shù)為cosφ=0.866。同理，變壓器副邊Uba通過端子與待檢測設(shè)備B相檢測電流連接，變壓器副邊Ucb通過端子與待檢測設(shè)備C相檢測電流連接。因此，模擬負(fù)載提供了一個功率因數(shù)為0.866，可通過設(shè)置互感器變比調(diào)節(jié)感性無功功率大小的模擬負(fù)載，實(shí)現(xiàn)待測無功補(bǔ)償裝置的自動投切。同時，通過改變某一相或者兩相電流采樣線長度或者截面積，可產(chǎn)生三相不平衡模擬負(fù)載，設(shè)備控制單元通過接觸器KM2控制模擬負(fù)載的產(chǎn)生。設(shè)備控制單元采集電流互感器CT1電流信號及電壓互感器PT1電壓信號，計算檢測設(shè)備源側(cè)的電網(wǎng)參數(shù)；設(shè)備控制單元通過光纖與整流及逆變模塊通信，用于下傳輸出指令及接收模塊狀態(tài)信息；同時，設(shè)備控制單元控制接觸器KM1（包括三個單相接觸器）的吸合與分?jǐn)?。對于△型變壓器，模擬負(fù)載A相采樣電壓與A相采樣電流相位關(guān)系如圖4所示。

圖4 模擬負(fù)載A相采樣電壓與采樣電流相位關(guān)系

2.2 系統(tǒng)功能介紹

所述無功補(bǔ)償裝置檢測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對無功補(bǔ)償裝置的過電壓、欠電壓保護(hù)試驗(yàn)；無功補(bǔ)償試驗(yàn)；響應(yīng)時間測試；缺相保護(hù)實(shí)驗(yàn)；諧波抑制或諧波濾除功能試驗(yàn)；三相不平衡檢測；涌流檢測等性能試驗(yàn)。

2.2.1 過電壓、欠電壓保護(hù)試驗(yàn)

閉合斷路器QF2，設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態(tài)開關(guān)STS導(dǎo)通，此時待測無功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)接通。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負(fù)載單元接入電網(wǎng)，此時，模擬負(fù)載單元產(chǎn)生三相功率因數(shù)為0.866，無功功率可調(diào)的模擬負(fù)載。待測無功補(bǔ)償裝置檢測到模擬負(fù)載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果投入無功補(bǔ)償裝置內(nèi)電容支路。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內(nèi)部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補(bǔ)償裝置投入無功量，發(fā)出等量感性無功，抵消待測無功補(bǔ)償裝置投入容性無功。待無功裝置內(nèi)支路全部投入后，設(shè)備控制單元通過光纖向逆變單元發(fā)送指令，逆變單元向注入變壓器注入補(bǔ)償電壓，通過改變注入電流的大小及方向改變注入變壓器的輸出電壓，以改變待測無功補(bǔ)償裝置輸入電壓。設(shè)備控制單元通過采樣電壓互感器PT1信號，實(shí)時檢測待測無功補(bǔ)償裝置輸入端電壓，待待測無功補(bǔ)償裝置輸入端電壓達(dá)到過電壓或欠電壓設(shè)定值時，觀察無功補(bǔ)償裝置切除情況。若待測無功補(bǔ)償裝置在規(guī)定的時間內(nèi)全部切除投入電容器組，則說明待測無功補(bǔ)償裝置過電壓、欠電壓保護(hù)功能合格。整流單元接收設(shè)備控制單元指令，不僅為逆變單元提供直流支撐，同時發(fā)出等量感性無功，抵消補(bǔ)償裝置容性無功。因此，電網(wǎng)側(cè)電流很小，實(shí)現(xiàn)了總進(jìn)線電源容量很小的情況下，對待測無功補(bǔ)償裝置大容量的檢測。

2.2.2 無功功率補(bǔ)償檢測

閉合斷路器QF2，設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態(tài)開關(guān)STS導(dǎo)通，此時待測無功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)接通。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負(fù)載單元接入電網(wǎng)，模擬負(fù)載單元產(chǎn)生三相功率因數(shù)為0.866，無功功率可調(diào)的模擬負(fù)載。待測無功補(bǔ)償裝置檢測到模擬負(fù)載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果投入無功補(bǔ)償裝置內(nèi)電容支路。由于模擬負(fù)載為恒定值，因此待測補(bǔ)償裝置會逐組全部投入。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內(nèi)部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補(bǔ)償裝置投入無功量，發(fā)出等量感性無功，抵消待測無功補(bǔ)償裝置投入容性無功。當(dāng)待測補(bǔ)償裝置全部投入后，觀察各組補(bǔ)償支路電流大小，判斷補(bǔ)償支路是否正常。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2斷開，觀察無功補(bǔ)償裝置逐路切除情況。

2.2.3 響應(yīng)時間檢測

閉合斷路器QF2，設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態(tài)開關(guān)STS導(dǎo)通，此時待測無功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)接通。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負(fù)載單元接入電網(wǎng)，此時，模擬負(fù)載單元產(chǎn)生三相功率因數(shù)為0.866，無功功率可調(diào)的模擬負(fù)載。利用示波器記錄待測無功補(bǔ)償裝置采樣電流突變時刻T1，待測無功補(bǔ)償裝置檢測電壓信號及電流信號后，計算模擬負(fù)載的無功功率及功率因數(shù)，投入無功補(bǔ)償裝置內(nèi)電容支路。此時，利用示波器記錄待測無功補(bǔ)償裝置輸出電流變化時刻T2，T2-T1即為補(bǔ)償裝置響應(yīng)時間。

2.2.4 缺相保護(hù)檢測

閉合斷路器QF2，設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態(tài)開關(guān)STS導(dǎo)通，此時待測無功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)接通。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負(fù)載單元接入電網(wǎng)，模擬負(fù)載單元產(chǎn)生三相功率因數(shù)為0.866，無功功率可調(diào)的模擬負(fù)載。待測無功補(bǔ)償裝置檢測到模擬負(fù)載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果投入無功補(bǔ)償裝置內(nèi)電容支路。由于模擬負(fù)載為恒值，因此待測補(bǔ)償裝置會逐組全部投入。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內(nèi)部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補(bǔ)償裝置投入無功量，發(fā)出等量感性無功，抵消待測無功補(bǔ)償裝置投入容性無功。當(dāng)待測補(bǔ)償裝置全部投入一段時間后，設(shè)備控制單元切除三只單相交流接觸器其中的任意一相，待測無功補(bǔ)償裝置應(yīng)切除全部投入的電容器支路，則缺相保護(hù)功能合格。

2.2.5 諧波抑制或諧波濾除檢測

閉合斷路器QF2，設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態(tài)開關(guān)STS導(dǎo)通，此時待測無功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)接通。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負(fù)載單元接入電網(wǎng)，此時，模擬負(fù)載單元產(chǎn)生三相功率因數(shù)為0.866，無功功率可調(diào)的模擬負(fù)載。待測無功補(bǔ)償裝置檢測到模擬負(fù)載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果投入無功補(bǔ)償裝置內(nèi)電容支路。整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內(nèi)部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補(bǔ)償裝置投入無功量，發(fā)出等量感性無功，抵消待測無功補(bǔ)償裝置投入容性無功。待無功裝置內(nèi)電容支路全部投入后，設(shè)備控制單元向整流單元發(fā)送諧波輸出指令，整流單元接收指令后按照設(shè)備控制單元設(shè)定的諧波次數(shù)及幅值向電網(wǎng)注入諧波。此時，設(shè)備控制單元采樣電流互感器CT1電流信號及電壓互感器PT1電壓信號，計算注入變壓器輸出側(cè)電流諧波次數(shù)及含量，檢驗(yàn)無功補(bǔ)償裝置被動諧波濾除或抑制能力。

2.2.6 三相不平衡補(bǔ)償檢測

將無功補(bǔ)償裝置電流采樣線其中一相或者兩相采用不同截面積或者長度的導(dǎo)線，由于采樣導(dǎo)線截面積或者長度不同，則采樣導(dǎo)線感抗不同，此時三相采樣電流不一致，截面積小或者長度長的導(dǎo)線電流值偏小，可以模擬不平衡負(fù)載。閉合斷路器QF2，設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態(tài)開關(guān)STS導(dǎo)通，此時待測無功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)接通。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負(fù)載單元接入電網(wǎng)，此時，模擬負(fù)載單元產(chǎn)生三相功率因數(shù)為0.866，三相電流及功率不平衡的可調(diào)的模擬負(fù)載。待測無功補(bǔ)償裝置檢測到模擬負(fù)載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果投入無功補(bǔ)償裝置內(nèi)電容支路，實(shí)現(xiàn)裝置不平衡補(bǔ)償功能的測試。此時，整流單元采樣電流互感器CT2電流信號及自身內(nèi)部電壓互感器電壓信號，計算出待測無功補(bǔ)償裝置投入無功量，發(fā)出等量感性無功，抵消待測無功補(bǔ)償裝置投入容性無功。

2.2.7 涌流檢測

閉合斷路器QF2，設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM1吸合、靜態(tài)開關(guān)STS導(dǎo)通，此時待測無功補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)接通。設(shè)備控制單元控制交流接觸器KM2吸合，模擬負(fù)載單元接入電網(wǎng)，模擬負(fù)載單元產(chǎn)生三相功率因數(shù)為0.866，無功功率可調(diào)的模擬負(fù)載。待測無功補(bǔ)償裝置檢測到模擬負(fù)載提供的電壓信號及電流信號后，計算無功功率及功率因數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果投入無功補(bǔ)償裝置內(nèi)電容支路。由于模擬負(fù)載為恒定值，因此待測補(bǔ)償裝置會逐組全部投入。在裝置投入最后一組電容器時，設(shè)備控制單元通過電流互感器CT1檢測該最后一組電容器投入時涌流值，隨機(jī)投入試驗(yàn)應(yīng)不小于20次，如最大涌流值小于電容器額定電流值5倍，則證明涌流檢測合格。

3 結(jié)束語

針對現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置檢測系統(tǒng)存在的不足，提出一種無功補(bǔ)償裝置檢測系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理。系統(tǒng)采用注入變壓器調(diào)節(jié)待測補(bǔ)償裝置輸入電壓，變壓器容量小，節(jié)約成本；利用小容量變壓器作為模擬負(fù)載單元，結(jié)構(gòu)簡單，無損耗，造價低、體積??；通過整流單元對消無功補(bǔ)償裝置發(fā)出無功，實(shí)現(xiàn)進(jìn)線電源容量很小的情況下，大容量無功補(bǔ)償裝置的功能試驗(yàn)，因此，系統(tǒng)造價低、體積小。同時可以實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償裝置的各項(xiàng)功能檢測，有效替代傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償檢測設(shè)備，滿足生產(chǎn)企業(yè)及檢驗(yàn)院所無功補(bǔ)償裝置的功能檢驗(yàn)及性能測試。