CCIC韩国公司 刘进伟 张启蒙

宁波天元电气集团有限公司 吴敏

1 引言

1.1 公用电网的结构现状浅析

直至目前，我国城市街道居民和商业的用电户之400 V电网（包括农网）是通过10 kV送电系统进行电压变换的，且往往是在一条线路上接有几台或十几台甚至二、三十台容量大小不等的配电变压器。然而，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，居民生活和商业用电的结构和用电量也发生了根本性的变化，已经从过去单一的照明用电变为以空调、电取暖器、电热水器、电磁灶、洗衣机、冰箱、电视机、电脑、复印机等电子设备和电炊具等家用电器为主的生活和办公用电，这些用电设备的广泛普及与增换等，必然使得一面在同区域的居民用电量大幅增长，促使了原区域的公用变电站容量需增大。另一面，因其感性负荷设备的大幅推广使用，并伴随着电力电子技术、智能控制技术和信息通信技术的发展，电力新技术（如节能节电装置的变频改造）、新设备的不断涌现和广泛使用，将大大降低供电质量:无功损耗的增加，功率因数的下降，谐波的产生，等等。这些不合格的电能输送，翻过来就会影响到用户用电设备的正常运行，严重时会造成用电设备损坏，给用户带来损失；也会使电动机、变压器、电子元器件等电气设备附加损耗和发热，使设备温度升高，效率降低，绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至遭损坏；降低供用电设备的继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性，等等。另外，由于居民生活在作息时间、个人爱好、经济条件等方面的差异，居民生活用电的随机性亦越来越变幻莫测，负荷的峰谷差绝对值急剧增加。且居民用电大都为单相用电，每个居民楼之间的用电差异酿成三相用电负荷（有功功率、无功功率）的不均衡；三相用电负荷的不平衡，又造成了配电变压器的三相不平衡运行，使中线电流增大，增加变压器的铜损、铁损，使变压器的运行效率降低，影响变压器的安全运行。因此，提高供电质量既是用户对供电质量所提出的要求，也是供电部门对供电系统所要求的一个重要的质量指标，特别是对公用变电站的直接影响到居民生活和商业公司用电供电系统来说，加强供电质量管理，为用户提供合格的电能是供电企业的一顶重要任务。

1.2 无功补偿技术在公用变电站系统的运用现状

无功补偿技术的应用是当今解决和提高供电质量最有效途径之一。

然而，随着人们对供电质量的要求不断提高，电力系统对低压无功补偿技术提出了更高的要求，对公用变电站而言，虽然无功补偿技术在各地低压配电网的公用变电站中得到广泛的应用，但目前低压无功补偿设备还存在一些不足之处，主要有:

1)结构复杂，功率密度低。低压无功补偿设备由开关、交流无功耗开关、热继电器、熔丝、电容器等组成，元件众多，需要较大空间。运行过程中，一旦故障，故障元件调换困难，不利于故障现场快速处理；容量的可调整性差，产品一旦形成，容量的调整特别是容量的增加十分困难，产品不易标准化、规范化，产品质量一致性无法保障。2)投切开关多采用机械式交流无功耗开关、机械式固态继电器或可控硅。机械式交流无功耗开关、机械式固态继电器响应速度较慢，在投切过程中会产生冲击涌流，使用寿命短；可控硅投切机构则发热量大，长期工作还产生谐波，影响电网运行。3)无功控制策略不完善。未能全面考虑电压的平衡关系与区域的无功优化，仅以电压、功率因素、无功电流为控制物理量。4)采集单一信号，采用三相电容器，三相共补。这种补偿方式对于负载如果主要为居民和商业用户等的单相用电设备时则不合适。因为，三相负荷很可能不平衡，导致各相无功需量也不同，采用这种补偿方式会在不同程度上出现过补或欠补，同时对无功补偿设备本身的工作电流、温度及交流无功耗开关、电容器等元件状态无法检测，设备故障后，现场故障确诊困难，对维护人员技术水准要求高，不利于故障现场快速处理。5)由于公用变电站设备的空间有限，为达总补偿所需的容量，步投容量只能设置为25 kvar或以上，不适配公用变电站的用电特性，造成补偿效果不达标，投切震荡现象严重，极大影响补偿设备的使用寿命。

2 技术设计简介

2.1 电气主电路方案

本技术设计的电气主电路方案见右图1所示。

2.2 本技术设计的机械结构

公用变电站用交流低压智能型综合配电箱装置，包含相配装的箱壳本体、电缆出线室和电缆进线室；电缆进线室内置有能与外部输入电缆连接的进线主母排；电缆出线室内置有外部输出电缆连接的出线母排；箱壳本体内配有无功补偿装置（模块化智能型）、综合控制仪表、主开关、无功补偿装置保护开关和出线保护开关；主开关的进线端与进线主母排连接，该主开关的出线端经连接母排一、连接母排二、连接母排三和连接母排四与水平母排连接，其中连接母排二与连接母排四上分别装置了控制仪用取样互感器及无功补偿取样互感器；保护开关室可装置不少于2路的出线及无功补偿装置保护用的塑壳断路器或熔断器，配塑壳断路器装置的还可加装电动操作机构、分励脱扣装置等；保护开关的进线母排与水平母排连接，保护开关的出线母排与出线连接母排连接，无功补偿装置用的保护开关的出线端由软电缆接于无功补偿装置；综合控制仪表室置于无功补偿装置的背面，可装置综合测控仪等仪表设备。结构详见图2～7。

附图说明:图2是正面局部剖视示意图；图3是图2中A-A剖视示意图；图4是图2中B-B剖视示意图；图5是图3中C-C剖视示意图；图6是图2的背视示意图；图7是图5中K向放大视图。图标号说明如下:控制仪表室门板1，综合控制仪表2，无功补偿装置主保护断路器或熔断器3，箱壳本体4，箱顶5，出线回路保护断路器或熔断器6，保护开关室门板7，主连接母排一8，绝缘子9，电缆进线室10，进线口11，进线主母排12，进线密封环13，保护断路器或熔断器进线母排14，无功补偿取样互感器15，主开关16，控制仪用取样互感器17，出线口18，出线连接母排19，水平母排20，保护断路器或熔断器出线母排21，模块化智能型补偿装置22，零线母排23，无功补偿室门板24，固定支架25，起吊环26，主开关室门板27，电缆出线室28，主连接母排二29，主连接母排三30，主连接母排四31，接地装置32，出线密封环33，色相标志34，保护开关室35，主开关及控制仪用取样互感器安装室36，控制仪表室37，无功补偿室38。

3 本技术设计的基本功能

3.1 结构功能

本技术设计的结构功能是:集电能计量、测量与控制、模块化智能动态型无功补偿装置于一体；体积小，结构紧凑，密封性能好，防护等级高，安装简单方便，节省费用；采用空气自然对流散热，散热效果好；箱体采用全不锈钢制作，防蚀、防锈能力强；补偿容量大，最多可装置200 kvar的补偿总容量；电缆进出线接线端子直接进出箱体外，给用户连接电缆带来极大方便；控制及保护开关采用塑壳断路器或熔断器，还可加配电动操作机构与分励脱扣装置等；配合综合测控仪、模块化智能动态型无功补偿装置，可实时显示电网所有的主要参数（三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、谐波电压、谐波电流、有功电度、无功电度、功率因数等）和电容器的投切状态，且具有RS232/485通讯接口，实现远程控制的遥控、遥讯、遥测等综合配电智能式自动化配网功能。还具体表现在:

1)外壳采用全不锈钢材料制造，内分为以下几室:电缆进线室、主开关及控制仪用取样互感器安装室、保护开关室、电缆出线室、控制仪表室及无功补偿室（模块化智能型动态型无功补偿装置）。

2)在装置的底部和上部设有足够数量的散热槽孔，装置内自下而上形成一个自然通风道，达到散热的目的，且防护等级高，达IP44。

3)所有一次母线的接触部位全部经过搪锡处理，以增强母线的耐腐性、减小接触电阻。

3.2 电气功能（性能）

因为采用了上述第2.2条的机械结构设计的至少不小于两路出线回路保护开关的结构，因此各分路配置的保护开关的额定电流就可用较小等级的配置，这样就增强供电的可靠性及在小过负荷电流和小短路电流状态下的保护功能；多回路保护开关的结构还能减小所需的停电范围，只切断对应回路的保护开关即可。

无功补偿装置的功能有:

1)应用目前国内外最先进的无功补偿技术（策略）——动态补偿和静态补偿相结合的模块化智能型无功补偿装置，模块体积小，功率密度高，且实现采用小电容器步投（级差），而又有大的总容量补偿的目的，在相同框架容积内安装的电容量可增加30%，因此，同类体积的设备最多可满足200 kvar补偿总容量的需求。该装置采用模块化结构(杭州华泰电气技术有限公司自主知识产权技术)，融合电力电子、计算机、软件、通信、电力等众多技术，将数据检测、投切机构、电容器、保护、通信等所有功能元件集成在一个单元内，形成标准化模块，结构与功能模块化，可根据用户不同要求自由组合，便于设备在使用现场的维护与调整。模块分为无功补偿主模块和无功补偿模块，所有元器件均集成在无功补偿主模块和无功补偿模块内部，直接并联组成智能无功功率补偿装置，随时可扩展调整补偿容量。内均有锌铝复合金属化膜自愈式电容器，无功补偿模块有三相共补模块和三相分补模块两种，单模块最大补偿容量可配置40 kvar，最小补偿容量可配置10 kvar（即最大可置2路20 kvar电容器，最小可置2路5 kvar电容器。），也就是说，无功补偿的每步投入（步投）容量最大为20 kvar，最小为5 kvar，是最符合公用变电站所需的小电容容量步投的要求的，有效的避免了投切震荡现象。

2)模块间采用总线通信和先进的智能投切装置，包括CPU、采样、显示、投切、断路器保护和自愈式低压并联电容器在内的所有元器件均集成在模块内部。无功补偿主模块以无功功率为控制物理量，以用户设定的功率因数为投切参考值，静态补偿与动态补偿相结合，三相共补与分相补偿相结合，稳态补偿与快速跟踪补偿相结合，采集三相电压、三相电流信号、零序电压、零序电流、温度及设备本身工况等数据，经过信号调理、A/D转换，CPU根据无功功率、电压双重物理量控制无功功率补偿，采用路由智能过零投切装置。该模块将可控硅与无功耗开关无缝软连接，采用微机智能控制，实现过零投切，使模块化智能动态无功补偿装置在接通和断开的瞬间具有可控硅（动态补偿）的优点，而在投入工作时又具有无功耗开关无功耗的优点，其实现方法是:投入时是在电压过零瞬间可控硅先过零触发，稳定后再将无功耗开关吸合导通，然后再断开可控硅开关；而切除时是先将可控硅投入，无功耗开关再断开，可控硅再过零断开，从而实现电流过零切除。由于是可控硅过零投切，因此无涌流冲击，无触点；延时后由无功耗开关吸合、导通，不会产生谐波，并且导通后采用无功耗开关工作，无功耗开关的接触电阻小，模块化智能动态无功补偿装置平时不耗电，因而不发热，彻底避免了可控硅的烧毁现象，无功耗开关投切时不产生电弧，因而大大增长了设备的使用寿命（投切次数大于100万次成为事实）。同时也对同机运行的其它电器不造成危害，真正达到了节能降耗的目的，无合闸涌流冲击、无操作过电压、无电弧重燃、无谐波危害。三相共补模块和三相分补模块既可单独使用，也可混合使用，可组成三相共补装置、三相分补装置和三相共补、分补混和补偿装置。

3)采用容量智能识别技术。无功补偿主模块能自动识别补偿模块容量，在线跟踪装置中无功的变化，并对电压智能控制，以无功功率为投切门限值，依据模糊控制理论，根据配电装置三相中每一相无功功率的大小智能选择电容器组合，依据“取平补齐”的原则投入电网，实现电容器投切的智能控制，自动及时地补偿无功功率容量（可设置投切延时，延时时间可调<1s～100s>，既可支持快速跟踪无功补偿，也可支持稳态补偿，也可手动控制。），绝不产生投切震荡现象，同时可对自身故障进行自诊断，通过显示屏和通信口直接显示、输出故障及其故障类型，利于现场故障查找和确诊。

1)集散式控制，看门狗、不死鸟软件，硬件防死机设计，保证微处理器的可靠运行。

2)有数据存储，断电记忆功能。用户可根据现场使用情况设定各种补偿参数及告警门限，可保存、查询故障内容，发生故障时发出告警信息并有声音提示。

3)通信。充分地考虑设备的可持续性使用，完善的“四遥”功能，采用标准的RS232、RS485通讯接口，可对无功补偿装置进行远程监控，也可根据用户特殊要求配置Modem、现场总线、红外、蓝牙等无线数据传输。与配网自动化装置有机结合。

4)主动保护系统。每个模块都带防雷保护器及CPU，自动检测、控制、保护模块，对模块自身工况实时检测，通过显示屏或通信口可直接显示,可随时了解模块工作状态;因此可对过压、过流、欠压、过温、缺相等所有故障进行主动保护，故障解除后，模块自动重新投入运行。有效延长模块寿命并减少售后服务。

5)显示及实时检测功能。可实时显示电网三相电压、三相电流、三相功率因数、频率、设备总补偿容量、已投入补偿容量、CT变比、温度等。

6)每个模块均配置高分断熔断器或快速断路器，超过额定电流时在10 ms内迅速断开，避免总开关跳闸。

7)三相共补模块和三相分补模块外形一致，可组成标准化装置，更换、扩容便捷。

8)电容器采用微晶蜡作为浸渍剂，为无油环保产品，并采用新型喷金工艺和独特的金属化膜边缘加厚技术，温升低，耗能低；内置自放电电阻和防爆装置，安全可靠。

4 无功补偿容量配置

无功补偿容量配置见下表1。

5 公用变电站谐波的特性与处理

公用变电站上的用户谐波源设备与企业单位的谐波源设备是不一样的，因为公用变电站有多而杂的特性和设备投运的随意性，如果其有谐波注入电网的话，其谐波次数、谐波量、谐波电流、谐波电压和波动性能很有可能是时常变化的，而企业单位的谐波源设备形成后是一般不变的，所产生的谐波次数也是不变的，所以，公用变电站如配置无源滤波装置，会因产生消谐电抗器（或叫单调谐滤波器）与注入电网的谐波特征不匹配，造成滤波效果不佳或反而放大谐波或产生很大噪音，这也是不符合城市环境要求。而且，由于公用变电站系统电网设备安装的特殊性，如要在公用变电站系统电网设备上增加滤波功能，需增大一定量的设备容积，且按目前的滤波技术水平，一般只能采用无源滤波设备。因此，在公用变电站系统电网用的配电设备上不适合设置消谐滤波装置的。但是，对谐波的处理方式可有以下几种:

1)目前公用变电站用变压器已基本推荐采用D，yn11接线组别的配电变压器，并使用中性线（N）的截面积等于相线截面积的电缆。因为D，yn11接线组别的配电变压器能基本抑制3倍次谐波注入电网；增大了中性线截面积可避免因导线过载发热而损坏，增大过载承受能力。

2)按公用变电站系统用电设备的特征:虽然存在大量的谐波源设备，但是因其一般的容量偏小，且安装于同一位置（以家庭或楼层或街弄为单位）的谐波源设备的生产厂家、特性等都是不尽相同的，因此，能充分利用谐波的相互补偿作用降低电网的部分谐波含量。本公司通过对大量的公用变电站系统电网的谐波测量及对多台公用变电站用智能型综合配电箱的三年试运行状况分析，结论是:公用变电站系统电网的谐波对低压电网的注入冲击是很小的。当然，也有存在特殊谐波源设备的可能，如某公司安装什么大型变频设备等。当存在这种情况时，供电部门就必须责成用户进行设备就地滤波后方可投运设备，因为用户的设备谐波超标供电部门是要对其考核并处罚的。

表1 无功补偿容量配置表

6 本技术设计的安装方式

本技术设计的安装方式见图8，实际安装例见图9。

7 本技术设计实施的效果

本技术设计于2008年12月设计完成后，至今已实施了以下效果:

1)于2009年2月份首台设备上象山电网试运行，获得的各项运行参数全部符合设计要求，并取得象山局及宁波市局等总订单120台，合计新创产值276万元。

2)于2009年5月份申请3C的国家强制性认证，并在浙江方圆检测集团股份有限公司通过全部型式试验项目（详见报告编号为C-026-090119310023的试验报告）和获取3C证书（证书号为2010010301412007）。

3)于2010年5月份取得国家实用新型专利（专利证书号为ZL200920191526.7）。

4)于2011年7月份取得国家发明专利（专利证书号为ZL200910101595.9）。

5)应用实例效果数据测试。

以宁波市象山县塔山路上卫生局门口的一台400 kVA公用变电站为例，2009年11月经改造采用本技术设计的GZPZ公用变电站用智能型综合配电箱装置（原为只装设板式闸刀开关箱），主要用户为:象山县卫生局及其周围的沿街商店（小商场）、小型公司（如房产中介等）、路灯及部分金秋小区沿街居民的用电等，2010年7月12日的运行记录如下表:

8 经济效益

本技术设计的实施能产生以下的社会效益和企业的经济效益:

1)改善供电线路及用电设备功率因数，能从0.7以下的改善至0.92（保守数据）以上。功率因数降损率达:δP%＝[1－(cosφ1/cosφ2)2]×100%=[1－(0.7/0.92)2]×100%＝42%。

2)提高供电电压质量，能使偏低的用电电压恢复至正常标准电压（三相380V，单相220V），提高约10%。电压的降损率:δp%＝[1－1/(1+α/100)2]×100%＝(1－1/1.12)×100%＝17.35%。

3)降低线路电能损耗，增加公用变电站的使用效率。线损率总降低率约为59%左右，也就是线损率可降低(10%×59%)=5.9%。以400kVA变压器为例，年可少损失电量140kW(平均负荷)×24小时×30天×12月×5.9%＝7.1万kW·h，电价按0.50元/kW·h计算，折合电费7.1×0.50＝3.55万元。功率因数由0.70提高到0.92，即可提高变压器出力22%，公用变电站设备总投资按20万元计算，可减少投资4.4万元，按设备使用年限15年计算，每年减小投资0.3万元。本技术设计安装总投资2.5万元，根据以上测算，8个月内便可回收投资。年降损效益总计大于3.85万元。目前，市场总容量尚难以准确估算，就收集到的数据显示:目前全国公用变电站约有2000万台，其中大中型城市及沿海城市的数量约占60%。

天气:晴 最高温度33℃

4)更合理的适应和满足现代和发展需要的城乡居民的生活用电的需要,并确保用电的可靠性。线路末端电压明显提高，用户电压质量明显改善，消除了高峰时无法用电的现象，其社会效益更不容忽视。

5)按目前市场行情，本技术设计的成本约是当前其它同类的市供设备(无功补偿结构为可控硅投切机构的)的85%，可为社会及供电部门年节省设备投入费用:500台（年产量）×｛2.5（市场价）/0.85－2.5｝(万元)=220.6万元；

6)企业效益:可为公司年创产值:500台（年产量）×2.5（市场价）万元=1250万元；可为公司年创税利:1250万元×25%=312.5万元。

9 结束语

本公用变电站用交流低压智能型综合配电箱装置是集电能计量、测量与控制、模块化智能型动态型无功补偿装置于一体；整体结构具有体积小，结构紧凑，密封性能好，防护等级高，安装简单方便等特点。

外体采用全不锈钢材料制造, 防蚀、防锈能力强，散热方式采取空气自然对流的结构形式，散热效果好；内分为电缆进线室、主开关及控制仪用取样互感器安装室、保护开关室、电缆出线室、控制仪表室及无功补偿室。主开关具有明显断口点；控制及保护开关采用至少不小于两路出线回路的塑壳断路器或熔断器，具有小过负荷电流和小短路电流状态下的保护功能，及减小所需的停电范围等功能；综合测控仪、模块化智能型动态型无功补偿装置，可实时显示电网所有的主要参数（三相电压、电流、谐波电压、谐波电流、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度、功率因数等）和电容器的投切状态，且具有RS232/485通讯接口，实现远程控制的遥控、遥讯、遥测等综合配电智能式自动化配网功能；电缆进出线接线端子直接进出箱体外，给用户连接电缆带来极大方便；无功补偿应用目前国内外最先进的无功补偿技术（策略）——动态补偿和静态补偿相结合的模块化智能型补偿装置，模块体积小，功率密度高，且实现采用小电容器步投，而又有大的总容量补偿的目的，在相同框架容积内安装的电容量可增加30%，同类体积的设备最多可满足200 kvar补偿总容量的需求；在无功补偿控制机理上融合了电力电子、计算机、软件、通信、电力等众多技术，将数据检测、投切机构、电容器、保护、通信等所有功能元件集成在一个单元内，形成标准化模块，模块分为无功补偿主模块和无功补偿模块，所有元器件包括CPU、采样、显示、投切、断路器保护和自愈式低压并联电容器在内的所有元器件均集成在无功补偿主模块和无功补偿模块内部，直接并联组成智能无功功率补偿装置，随时可扩展调整补偿容量；模块间采用总线通信和先进的智能投切装置，无功补偿主模块以无功功率为控制物理量，以用户设定的功率因数为投切参考值，静态补偿与动态补偿相结合，三相共补与分相补偿相结合，稳态补偿与快速跟踪补偿相结合，采集三相电压、三相电流信号、零序电压、零序电流、温度及设备本身工况等数据，经过信号调理、A/D转换，CPU根据无功功率、电压双重物理量控制无功功率补偿，采用路由智能过零投切装置，该装置将可控硅与无功耗开关无缝软连接，采用微机智能控制，实现过零投切，在接通和断开的瞬间具有可控硅（动态补偿）的优点，而在投入工作时又具有无功耗开关无功耗的优点，投入时是在电压过零瞬间可控硅先过零触发，稳定后再将无功耗开关吸合导通，然后再断开可控硅开关，切除时是先将可控硅投入，无功耗开关再断开，可控硅再过零断开，从而实现电流过零切除，由于是可控硅过零投切，因此无涌流冲击，无触点，延时后由无功耗开关吸合、导通，并且导通后采用无功耗开关工作，无功耗开关的接触电阻小，模块化智能动态无功补偿装置平时不耗电，因而设备不发热、不耗电、不产生谐波，彻底避免了可控硅的烧毁现象，增长了设备的使用寿命（投切次数大于100万次），同时也对同机运行的其它电器不造成危害，真正达到了节能降耗的目的，无合闸涌流冲击、无操作过电压、无电弧重燃、无谐波危害。

所以，本公用变电站用交流低压智能型综合配电箱是目前我国城市街道居民和商业的用电户及农村电网等公用变电站中低压配电设备中最理想、最优良的新产品，提高电网供电质量、节能降耗效果显著。可以预见，公用变电站用交流低压智能型综合配电箱以其高性能、多功能、节能降耗等各项优异的性能适应国家电网建设的要求，为国家电网事业走上优质、低碳、节能降耗之路，必将做出巨大的贡献。

[1]WMRC07模块化智能动态无功补偿装置技术选型手册.杭州华泰电气技术有限公司.

[2]逢京.陆东.张宝华.谈体育场馆低压配电系统的谐波治理.国际低压电器技术,2010-5.