摘 要：無(wú)功功率補(bǔ)償裝置是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的設(shè)備，對(duì)于提高電能質(zhì)量、減少諧波污染具有重要作用。為了從標(biāo)準(zhǔn)層面提升無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的質(zhì)量，本文立足無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的產(chǎn)品特點(diǎn)，對(duì)其涌流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、諧波抑制三個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)分析，得出了現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中存在的問(wèn)題及不足，為開(kāi)展低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置產(chǎn)品的認(rèn)證試驗(yàn)提供重要技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置，涌流，動(dòng)態(tài)響應(yīng)，諧波抑制，標(biāo)準(zhǔn)分析

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.16.021

0 引 言

低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置是由1個(gè)或多個(gè)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備、低壓電容器裝置和與之相應(yīng)的控制、測(cè)量、信號(hào)保護(hù)和調(diào)節(jié)等設(shè)備組成，并且由制造商完成所有的內(nèi)部電氣和機(jī)械連接，用結(jié)構(gòu)部件整合在一起的一種組合體[1]。無(wú)功功率補(bǔ)償裝置是電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于提高電能質(zhì)量、減少諧波污染具有重要作用。

隨著近年來(lái)電力電子器件的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在的工業(yè)負(fù)荷類別也較以前有很大不同。以軋鋼行業(yè)的軋機(jī)、汽車行業(yè)的點(diǎn)焊機(jī)和橡膠行業(yè)的密煉機(jī)等為代表的沖擊負(fù)荷應(yīng)用逐漸增多，因此，需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償裝置的應(yīng)用場(chǎng)所也隨之越來(lái)越多。如果動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)不合理就可能補(bǔ)償跟蹤不及時(shí)，從而造成過(guò)補(bǔ)或欠補(bǔ)及電壓的跌落；同時(shí)非線性負(fù)荷大量應(yīng)用導(dǎo)致產(chǎn)生的諧波越來(lái)越豐富，急需進(jìn)行諧波濾除，而無(wú)功補(bǔ)償裝置的諧波濾除或抑制支路設(shè)計(jì)不合理則會(huì)產(chǎn)生自身諧振或過(guò)流而損壞設(shè)備；補(bǔ)償裝置的投入涌流過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，過(guò)大的涌流也會(huì)造成自身元器件（如電容器、電抗器、投切開(kāi)關(guān)等）的損壞。因此，市場(chǎng)迫切需要一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置行業(yè)的發(fā)展，尤其是在涌流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、諧波抑制能力測(cè)試方面。

1 國(guó)內(nèi)外檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)分析

目前，國(guó)內(nèi)低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置檢測(cè)的主要依據(jù)是GB/T 15576—2020。GB/T 15576—2020《低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置》是低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置作為成套設(shè)備，規(guī)定了相應(yīng)的定義、術(shù)語(yǔ)、技術(shù)要求和試驗(yàn)要求。國(guó)內(nèi)研究主要集中在該標(biāo)準(zhǔn)與GB/T 7251.1[2]及其對(duì)應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61439-1[3]的對(duì)比和差異分析[4-6]。研究方向主要涉及材料和部件強(qiáng)度、工頻耐受電壓、溫升試驗(yàn)等方面，并沒(méi)有突出無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的產(chǎn)品特點(diǎn)，未能體現(xiàn)涌流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)[7]和諧波抑制能力這3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。而國(guó)際上，目前尚未有與GB/ T15576—2020《低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置》標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。下面筆者根據(jù)低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的產(chǎn)品特性，針對(duì)浪涌電流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和諧波抑制能力這3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)項(xiàng)目分別展開(kāi)國(guó)內(nèi)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)和分析。

1.1 涌流試驗(yàn)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析

GB/T 15576—2020標(biāo)準(zhǔn)中9.15.3規(guī)定：進(jìn)行涌流試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試人員應(yīng)檢測(cè)產(chǎn)品投入最后1組電容器時(shí)試驗(yàn)回路中產(chǎn)生的涌流值。應(yīng)首先將除最后1組電容器外其余電容器全部通以額定電壓，待系統(tǒng)穩(wěn)定工作后再切入最后1組電容器，檢測(cè)此時(shí)電路中產(chǎn)生的涌流值。隨機(jī)投入電容器的試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)不少于20次，若最高涌流值不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)8.6.3規(guī)定值，則判定試驗(yàn)通過(guò)。

GB/T 15576—2020標(biāo)準(zhǔn)中8.6.3規(guī)定：應(yīng)采取有效措施限制電容器投入瞬間所產(chǎn)生的較大涌流值，針對(duì)不同類型的投切開(kāi)關(guān)有相應(yīng)的限制要求。對(duì)采用復(fù)合開(kāi)關(guān)或者半導(dǎo)體電子投切的電容器，其涌流值應(yīng)限制在該組電容器的3倍額定電流值以內(nèi)；對(duì)采用機(jī)電類開(kāi)關(guān)投切的電容器，其涌流值應(yīng)限制在該組電容器的50倍額定電流值以內(nèi)。

JB/T 10695—2007[8]標(biāo)準(zhǔn)中7.7規(guī)定：進(jìn)行涌流試驗(yàn)時(shí)，僅需驗(yàn)證最后1組電容器投入時(shí)試驗(yàn)回路中的涌流值。首先，將除最后1組電容器外其余的電容器全部接入電路通以額定電壓，待裝置運(yùn)行穩(wěn)定后，再投入最后1組電容器，通過(guò)分流器和示波器檢測(cè)產(chǎn)生的浪涌電流，如果電容器投入瞬間產(chǎn)生的涌流值不超過(guò)該組電容器的3倍額定電流峰值，則判定試驗(yàn)通過(guò)。

GB/T 22582—2023[9]/（IEC 61921：2017，MOD）標(biāo)準(zhǔn)中8.21規(guī)定：進(jìn)行涌流試驗(yàn)時(shí)，僅需驗(yàn)證最后1組電容器組投入時(shí)電路中產(chǎn)生的浪涌電流，首先將其余電容器全部接入電路，待裝置穩(wěn)定工作后再投入最后1組電容器。若能控制投切相角使涌流值最大，則僅需測(cè)試3次；若不能控制，則需進(jìn)行30次測(cè)試。每相鄰2次測(cè)試的時(shí)間間隔應(yīng)大于切除-投入的最小時(shí)間間隔。應(yīng)采用示波器來(lái)測(cè)量每1次試驗(yàn)中最后1組投入支路的涌流值。如果設(shè)備內(nèi)各支路容量大小不同，應(yīng)選擇容量最小的支路作為最后1組進(jìn)行測(cè)試。

GB/T 12747.1—2017[10]/（IEC 60831-1：2014，IDT）中未涉及涌流試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。

由此可見(jiàn)，各標(biāo)準(zhǔn)中均未明確指定涌流試驗(yàn)的測(cè)試條件。在大量的測(cè)試過(guò)程中研究人員發(fā)現(xiàn)，浪涌電流試驗(yàn)中，測(cè)試電路的短路容量、電容器的殘余電壓等參數(shù)均會(huì)對(duì)浪涌電流值造成不同的影響，且標(biāo)準(zhǔn)中提到的峰值投入與投切的相位角度選擇有關(guān)。

目前，對(duì)于涌流的計(jì)算，在國(guó)際和國(guó)內(nèi)仍是一個(gè)難點(diǎn)，國(guó)際國(guó)內(nèi)主要常見(jiàn)的計(jì)算方法見(jiàn)表1[11]。

另外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電容器通電過(guò)程中和切斷電源后，均提出了剩余電壓的要求。

GB/T 15576—2020中8.7規(guī)定“補(bǔ)償裝置的放電設(shè)施應(yīng)確保在電容器斷電后，其額定電壓從峰值放電至50 V的時(shí)間不超過(guò)3分鐘”；標(biāo)準(zhǔn)8.6.1規(guī)定“使用機(jī)電類開(kāi)關(guān)投切電容器時(shí)，自動(dòng)投入過(guò)程中，每組電容器的端子間電壓不得超過(guò)電容器額定電壓的1. 1倍”。

JB/T 10695—2007中6.11.8規(guī)定“補(bǔ)償裝置應(yīng)配備放電設(shè)施，該放電設(shè)施應(yīng)確保電容器斷電后，其額定電壓從峰值降至50 V的時(shí)間不超過(guò)1分鐘”；標(biāo)準(zhǔn)6.12.2規(guī)定“當(dāng)裝置自動(dòng)投切時(shí)，每組電容器的投入或切除，應(yīng)設(shè)計(jì)一定的時(shí)間延時(shí)，用于確保電容器再次投切時(shí)，其端子間電壓不超出電容器額定電壓值的10%”。

G B / T 2 2 5 8 2 — 2 0 2 3 /（I E C 61 9 21 ： 2 017，MOD）中7.2.10.3提出“當(dāng)任一電容器支路再次投入電路時(shí)，其線路端子的剩余電壓值不應(yīng)超出電容器額定電壓的10%”；標(biāo)準(zhǔn)8 . 21中規(guī)定“每2次相鄰試驗(yàn)的時(shí)間間隔應(yīng)大于其切除-投入的最小時(shí)間間隔”。

GB/ T 12747.1—2017/（IEC 60831-1：2014，IDT）中22放電器件的安全要求規(guī)定“電容器單元和/或組應(yīng)裝有使每一單元3分鐘內(nèi)從初始峰值電壓放電至75 V或更低的放電器件”。

1.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析

GB/T 15576—2020中9.17條規(guī)定：首先將補(bǔ)償裝置設(shè)定在自動(dòng)補(bǔ)償狀態(tài)，施加額定電壓，并在試驗(yàn)電路中投入大于預(yù)設(shè)值的感性負(fù)荷，通過(guò)分壓器監(jiān)測(cè)感性負(fù)荷的電壓變化，并記錄該時(shí)刻為T(mén) 1，通過(guò)分流器監(jiān)測(cè)電容器投入電流的變化，并記錄補(bǔ)償電容器輸出電流的變化時(shí)刻T 2，裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間T=T 2-T1。進(jìn)行3次試驗(yàn)，取T 值最長(zhǎng)時(shí)間作為裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（即電壓發(fā)生變化與電流發(fā)生變化的時(shí)間差）。

JB/T 10695—2007中7.13條規(guī)定：應(yīng)首先將補(bǔ)償裝置設(shè)定在自動(dòng)工作狀態(tài)，對(duì)裝置施以額定電壓，同時(shí)在其電流測(cè)量端接入與電壓有一定相角差的試驗(yàn)電流，隨后突然增大電流，記錄此時(shí)刻為T(mén)1，并記錄電容器電流值發(fā)生變化的時(shí)刻T 2。據(jù)此可以得出裝置的動(dòng)態(tài)跟蹤響應(yīng)時(shí)間為T(mén) 2-T1。若滿足6.12.8規(guī)定（裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間≤2 s），則此項(xiàng)試驗(yàn)通過(guò)。

GB/T 22582—2023/（IEC61921：2017，MOD）中8.24規(guī)定：快速型裝置應(yīng)進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試。通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功負(fù)荷（或模擬輸入無(wú)功負(fù)荷）使其信號(hào)達(dá)到設(shè)定值1，測(cè)量裝置接通第1個(gè)分組支路的時(shí)間：即裝置的補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間；調(diào)節(jié)負(fù)荷信號(hào)達(dá)到設(shè)定值2，分?jǐn)嘣摲纸M支路，與此同時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)荷信號(hào)，使其達(dá)到原設(shè)定值1，并測(cè)量該分組支路由斷開(kāi)至再次接通的時(shí)間間隔。

GB/ T 12747.1—2017/（IEC 60831-1：2014，IDT）中8.2.19規(guī)定：快速型裝置應(yīng)進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)試。通過(guò)調(diào)節(jié)真實(shí)無(wú)功負(fù)荷（或模擬施加無(wú)功負(fù)荷）使信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)值，測(cè)量補(bǔ)償裝置投入第1組電容器的時(shí)間；改變信號(hào)切除此電容器后再次將信號(hào)調(diào)至預(yù)設(shè)值，測(cè)量該電容器從切除到再次投入的時(shí)間（即切除-投入最小時(shí)間間隔）；裝置的補(bǔ)償響應(yīng)時(shí)間即為上述兩個(gè)時(shí)間之和。

IEEE Std 1031TM -2011（Revision o f I EEE S td1031-2000）中指出，在系統(tǒng)擾動(dòng)期間，如重大負(fù)荷和甩負(fù)荷下驗(yàn)證動(dòng)態(tài)性能；并要求在各種指定的系統(tǒng)條件下進(jìn)行評(píng)估分析即超載、輕載、弱系統(tǒng)和強(qiáng)系統(tǒng)等。

1.3 諧波抑制或?yàn)V波功能國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析

補(bǔ)償裝置的抑制諧波或?yàn)V波功能主要是基于無(wú)源濾波。采用等效電路構(gòu)成的匹配阻抗與電網(wǎng)阻抗并聯(lián)實(shí)現(xiàn)諧波分流。因此諧波的注入量，各奇、偶次諧波的占比分布，電網(wǎng)阻抗等因素對(duì)補(bǔ)償裝置的諧波抑制或?yàn)V波能力以及工作效率產(chǎn)生顯著影響。因此需要規(guī)范統(tǒng)一的試驗(yàn)方案才能進(jìn)行諧波抑制能力的測(cè)試，否則在不同情況下測(cè)試其諧波抑制能力將會(huì)明顯不同。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15576—2020中并沒(méi)有明確的規(guī)定試驗(yàn)方法和要求，僅規(guī)定了電網(wǎng)接入點(diǎn)的諧波允許值，因此無(wú)法對(duì)補(bǔ)償裝置的諧波抑制或?yàn)V波能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

JB/T 10695—2007、GB/T 12747.1—2017/（IEC60831-1：2014，IDT）和GB/T 22582—2023/（IEC61921：2017，MOD）等標(biāo)準(zhǔn)則均未涉及諧波抑制或?yàn)V波功能的驗(yàn)證內(nèi)容。

2 不 足

通過(guò)以上分析研究，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)還存在如下不足：

（1）浪涌電流試驗(yàn)中，測(cè)試回路的短路容量、線路阻抗、電容殘余電壓、試驗(yàn)投切相位角、電抗率和電網(wǎng)電壓等參數(shù)均會(huì)對(duì)涌流大小產(chǎn)生影響，這些影響因素標(biāo)準(zhǔn)中均未考慮到。例如：試驗(yàn)線路的短路容量反映了線路阻抗的大小，短路容量越大線路阻抗越小，對(duì)沒(méi)有串聯(lián)電抗器或串聯(lián)涌流電抗器的設(shè)備影響較大；補(bǔ)償電容器投切相位角不同，涌流也會(huì)不同，在投切開(kāi)關(guān)端電壓最大時(shí)投入電容器，此時(shí)涌流最大；另外涌流值還與電抗器的電抗率和投入時(shí)電容器的殘余電壓相關(guān)，電抗率較大的電抗器在相同的投切角度下涌流會(huì)偏小，當(dāng)投切角度在電壓正峰值同時(shí)電容器殘余電壓在電壓負(fù)峰值時(shí)投入電容器，將產(chǎn)生較大的涌流；投入時(shí)的母線電壓的大小也會(huì)影響涌流值的大小。

（2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)方法存在一定的誤差，對(duì)于快速響應(yīng)補(bǔ)償裝置的偏差較大。例如：對(duì)于動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究需要全部投入的響應(yīng)時(shí)間，而不應(yīng)測(cè)試投入一個(gè)支路的時(shí)間，且還需測(cè)試切除后再次投入的響應(yīng)時(shí)間，而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此沒(méi)有具體說(shuō)明。現(xiàn)行測(cè)試方法采用的是投入感性負(fù)荷的方式，而投入感性負(fù)荷會(huì)引入暫態(tài)電流，導(dǎo)致出現(xiàn)測(cè)試誤差；標(biāo)準(zhǔn)中采用檢測(cè)感性負(fù)荷電壓的變化來(lái)記錄時(shí)間，也不適用于動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置的測(cè)試，因?yàn)樨?fù)荷的電流滯后電壓90度（對(duì)于50 Hz即5 ms），補(bǔ)償裝置采集的是電流，對(duì)于50 Hz的系統(tǒng)必然會(huì)導(dǎo)致5 ms的測(cè)試誤差，這對(duì)于幾十毫秒的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置來(lái)說(shuō)，誤差就已經(jīng)很顯著了。

（3）對(duì)于諧波抑制能力試驗(yàn)，尚沒(méi)有明確的檢驗(yàn)技術(shù)要求和檢測(cè)方法，諧波抑制能力大小及濾除的效果與試驗(yàn)源的固有阻抗有很大關(guān)系，測(cè)試平臺(tái)不同會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)試數(shù)據(jù)；現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中提到通以適量諧波進(jìn)行測(cè)試，但并沒(méi)有規(guī)定施加的諧波次數(shù)，若抑制或?yàn)V除5次諧波的裝置，施加2～4次諧波電流，將會(huì)存在諧波放大的可能；標(biāo)準(zhǔn)中濾波功能減少到規(guī)定值的50%，規(guī)定值含義不明確。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文以檢驗(yàn)檢測(cè)的角度，通過(guò)大量的試驗(yàn)分析和驗(yàn)證，對(duì)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的涌流、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、諧波抑制三個(gè)關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)分析。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)分析，得出現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中存在的問(wèn)題及不足，為下一步開(kāi)展低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置產(chǎn)品的認(rèn)證試驗(yàn)提供重要技術(shù)參考。

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作者簡(jiǎn)介

劉亞，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)檩斉潆娫O(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。

（責(zé)任編輯：袁文靜）

基金項(xiàng)目：本文受山東省市場(chǎng)監(jiān)督管理局科研項(xiàng)目“基于大規(guī)模充電基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的電動(dòng)汽車充電過(guò)程實(shí)時(shí)故障識(shí)別與防控關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用示范 ”（項(xiàng)目編號(hào)：2023MR09）資助。