童靓 ， 胡洪江

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.宁国赛宝核心基础零部件产业技术研究院有限公司，安徽 宁国 242300；3.广州赛睿检测设备有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

在电力电网系统上，采用电容补偿技术是必不可少的，其主要作用是无功补偿或者功率因数补偿。电力系统的用电设备在使用时会产生无功功率，而且通常是电感性的，它会使电源的容量使用效率降低；通过在系统中适当地增加电容的方式就可以改善这种状态。

本文阐述的电抗补偿与电力电容补偿有异曲同工之处。电抗补偿一般应用在交流电动机电容器耐久性试验设备和抑制电源电磁干扰用固定电容器交流耐久性试验中，在试验的电容器样品上增加电抗可以大大地降低电源功率和减少电量的损耗。

1 电抗补偿的基本原理

a） 电抗器 （L）

电抗器也被称为电感器，通常是把导线绕成线圈，以增强线圈内部的磁场。磁场也储存能量，因此电抗器是一种能够储存磁能的部件。其电压与电流的关系为：U=LdI/dt（L为电抗器感量），该公式表明：在某一时刻电抗的电压取决于此时刻电流的变化量。在电抗器中，其电流滞后电压90°。

电抗器也属于阻抗元件，其阻抗被称为感抗，计算公式为：ZL=2πfL。

b） 电容器 （C）

电容器是由两片金属极板用介质隔开所构成的。在外电源的作用下，极板上便能分别聚集等量的异性电荷，形成电场。在这过程中外电源所输出的功应等于电容器所储存的能量。因此，电容器也是一种能够储存电能的部件。其电压与电流的关系为：I=CdU/dt（C为电容器容量），该公式表明：在某一时刻电容的电流取决于此时刻电压的变化量。在电容器中，其电流超前电压90°。

电容器也属于阻抗元件，其阻抗被称为容抗，计算公式为：ZC=1/2πfC。

c）电路中的自由振荡[1]

如果一个电路由一只电抗和一只电容组成 （如图1所示），则该电路中将会产生自由振荡现象。

图1 LC电路中能量的振荡

假设电容的初始电压为U0，电抗的初始电流为零。显然，在初始时刻，能量全部储于电容中，电抗中没有储能。这时电路的电流虽然为零，但电流的变化率不为零，这是因为电抗电压必须等于电容电压，电容的电压不为零，电抗电压也就不为零；而电抗电压的存在，意味着dI/dt≠0。因此，电流将开始增大，原来储存于电容中的能量将发生转移。随着电抗电流的增大、电容放电，能量逐步地转移到电抗的磁场中。当电容的电压下降到零的瞬间，电抗电压也为零，因而dI/dt=0，电流达到了最大值I，此时储能全部转入到电抗中。由于电抗电流不能跃变，电路中的电流将从I逐步地减小，电容在这样电流的作用下又被充电。当电抗中的电流下降到零的瞬间，能量又再度全部储于电容中。这意味着上述过程可以不断地重复进行，形成周而复始的振荡，这种振荡被称之为自由振荡。

d）LC谐振

在图1所示的电路中，当ZL=ZC时，电路将产生谐振。此时，电抗储存的磁场能量与电容储存的电场能量相等，产生的自由振荡的幅度相同。在此状态下，能量转换得最彻底。在日常中，电视机、收音机进行频率调谐采用的就是这一原理，当产生谐振时，接收到的信号是最强的。但在实际的电路中，由于导线电阻、电抗的内阻和电容漏电等因素的影响，这种振荡也会逐步地衰减。因此，维持电抗与电容的振荡需要外加电源U。当然，只要满足谐振条件，即：电抗的感抗ZL与试验电容的容抗ZC相等时，所需的外加电源的电量是非常小的。如上所述，由于电抗器和电容器这两种储能元件的能量是可以相互转换的，因此当电路中的总电容不足时，可以采用在一只或多只试验电容器上并联一组相应的电抗器的方式对电容进行补偿，如图2所示[2]，这就是电抗补偿的基本原理。在电抗补偿电路中，由于ZL=ZC，则电抗的感量L与试验电容的容量C之间的关系为：

图2 增加电抗的试验电路图

2 电抗补偿在试验设备中的应用

a）电抗补偿的设计

在实际工作中，每次进行耐久性试验时，其试验样品电容器的总容量是不同的。那么，试验使用的耐久性试验设备是如何实现电抗补偿技术的呢？由于不同的试验电容器的容量需要有对应的电抗的感量进行补偿，在补偿电容器容量对应的电抗感量时，一般采用一组具有不同感量值的电抗，组合地选择不同感量值的电抗来补偿对应的试验电容器的总容量。例如：设计一台最大总容量为500 μF的试验电容耐久性试验设备时，可以选择具有如表1所示的一组感量值的电抗来进行补偿。

表1 电抗器的感量值及其对应的补偿电容值

这一组电抗的感量值是通过式 （1）计算出来的，并列出了相应的补偿电容量，并且这些电抗采用的是如图2所示的并联方式连接。如果试验设备把所有电抗都使用上去，将补偿的电容相加，则总容量合计正好等于500 μF。假如试验电容的总容量为300 μF，则试验设备就可以选择感量值为464、68、68 mH的3只电抗 （对应的补偿电容值分别为20、140、140 μF）补偿进行试验，其补偿的电容合计正好的300 μF。又假如试验电容总容量是310 μF，若试验设备仍然选择感量值为464、68、68 mH的3只电抗补偿进行试验，就会产生10 μF的差值。由于可调电抗制作工艺难，购买大功率的可调电抗成本很高，因此电容耐久性试验设备都采用一组固定电抗，通过组合方式，选择合计补偿容量接近试验电容的总容量的一组电抗进行试验。

b）补偿效果系数

在试验设备的电抗补偿电路中，还存在导线电阻、电抗内阻、铁芯涡流和电容漏电等因素，再加上电抗补偿的总容量与试验电容的总容量不等的现象，这样电抗补偿电路就会有电能损耗，也就无法实现理想的无阻尼谐振，因此需要外加电源U对其补给。对于设计制作的电抗补偿电路应尽量地减少损耗，以达到较高的补偿效果。

在采用了电抗补偿技术的电容耐久性试验设备中，其关键技术指标就是补偿效果系数。补偿效果系数η是试验电流A2与线路电流A1之比，如图2所示。即：η=A2/A1。如果补偿效果系数是20，那么线路电流只有试验电流的1/20倍，也就是外加电源的功率将减小20倍。

每台电容耐久性试验设备都会给出试验电容总容量范围，然而在这个范围内，其补偿效果系数是不同的。主要原因是固定电抗组合有个最小变化量，在表1中其最小变化量是20 μF。在这个容量范围内，通常取最低值为该设备的补偿效果系数，试验设备的补偿效果系数越高，电源功率和电量成本费用就会越低。通常可从以下几个方面来提高试验设备的补偿效果系数：

1）尽量地降低固定电抗组合的最小变化量；

2）选购高品质的电抗 （铁芯、铜线和绝缘等材料优质，制作工艺和散热良好）；

3）电抗的实际功率确保是其额定功率的1.2倍为宜，避免电抗过热烧毁和产生磁饱和现象；

4）连接的导线一定要尽量地短，线径应足够大，并且安装牢紧，以减小阻值；

5）选购高品质的交流接触器，以满足电抗组合的 “开”或 “关”要求；

6）在试验过程中，对于失效的试验电容器需尽快剔除。

c）试验设备的功能参数

目前，大多数品牌的电容耐久性试验设备有自动电抗补偿功能，方法是先自动测量试验电容的总容量，再由PLC控制，自动选择对应的补偿电抗组合，这样设备操作简便可靠。除此功能外，还有试验电压自动调节功能、补偿效果系数自动调节功能等。例如：赛宝品牌55XX系列的交流电容器（如图3所示）耐久性试验设备就有较多的功能，其主要功能包括[3]：

1）可以满足耐久性试验和冲击 （通断）试验要求；

2）全自动化进行试验测试，所有的参数在触摸屏上设置和显示，参数断电记忆；有远程监控功能 （通过手机）；

3）自动检测试验电容器的总容量，自动完成电抗补偿；达到最小输入电流，补偿效果系数为20；

4）当试验电压出现过压或欠压时，有自动调整试验电压功能 （范围可设置为1%～10%）；

5）实时监控线路电流，当试验过程中电容器的容量变化过大，补偿效果差时，设备有重新自动补偿电抗后再继续试验的功能；

6）多路输出，实时监控每个通道的电压、电流；

7）具有电压0 V起调，过压、欠压和过流等安全保护功能。

图3 55XX系列交流电容器耐久性试验设备

3 电抗补偿的应用效果验证

交流电动机电容器耐久性试验 （GB/T 3667.1-2016中5.13条款[4]）和抑制电源电磁干扰用固定电容器交流耐久性试验 （GB/T 6346.14-2015中4.14条款[5]）的条件是：将交流电源施加在多只试验电容器上，进行长时间试验 （具体的时间根据该试验项目的要求确定），一般最短时间也要200 h；第二种类型的电容器耐久性试验时间为1 000 h。

假如试验电压U为700 V （频率f为50 Hz），电容器的总容量C为500 μF，则所需的功率P为：

其中：电容总容抗ZC=1/2πfC

把数值代入上述公式中，计算出电源所需的功率P≈77 kW；如果试验时间t为600 h，则完成这项试验所消耗的电量约为46 000 kW/h。完成一个耐久性试验带来如此大的电网负荷和电量成本费用，这显然是不能接受的。此时，便可以利用电抗补偿技术来对试验电路中的电容总容量进行补偿（如图2所示），以降低电源功率。假设补偿效果系数为20，则电源功率将降低为3.8 kW，完成试验所消耗的电量将减少为2 300 kW/h。由此可见，电抗补偿技术能够极大地降低电源功率和电量成本费用。

4 结束语

随着电容器制造业的发展，交流电动机电容器和抑制电源电磁干扰用固定电容器的规格要求越来越高，其电容的容量和试验电压不断地增大和增高，因此，通常采用电抗补偿来完成其耐久性试验。试验证明，其不仅可以节能环保，降低试验成本，还可以延长试验设备的寿命。