3.3　我国无功补偿技术的发展进步

无功补偿是低压电力系统稳定运行、降低线损、提高供电电压质量的重要技术手段。我国的电力系统无功补偿技术经历了几十年的发展提高，已经达到相当高的技术水平。

无功补偿技术的发展提高，主要沿着减小、限制补偿电容器合闸涌流和提高电容器投切控制手段两个方向进行，两者相辅相成，协调发展，共同支撑着无功补偿技术不断攀登新的高峰。由电力电子技术支持的SVG技术更使无功补偿迈上了一个新的台阶。

3.3.1　限制电容器合闸涌流的技术发展

（1）无功补偿的初始阶段

我国从20世纪六七十年代开始将无功补偿技术提上议事日程。当时补偿电容器使用交流接触器直接合闸，不采取任何限流措施，由于电容器巨大的合闸涌流，使得交流接触器故障率很高。合闸时强烈的电火花烧伤操作人员的事故也不时发生。由于当时科技知识普及程度较低，甚至还出现在电容器通电情况下直接拉开补偿柜隔离开关而致使操作人员上臂严重烧伤的事故。

（2）用空心电抗器限制补偿电容器合闸涌流

因电容器两端的电压不能突变，所以传统无功补偿装置使用交流接触器控制电容器投入时，会产生很大的合闸涌流，该涌流值可达到电容器额定电流的几十倍甚至更大，引发系统电压的波动，影响系统中其他设备的正常运行。为了解决这一问题，20世纪七八十年代，人们在电容器通电合闸电路中串联一种具有限流效果的空心电抗器，可以将电容器的合闸涌流限制在额定电流十几倍的范围内。这个方法在一定程度上解决了合闸涌流的问题，但是这种电抗器使用数量较多，一台三相电容器要配置三只电抗器，而且它的体积较大，价格不菲；另外还由于当年电抗器的外壳浇铸材料不阻燃的缘故，出现过因接线螺钉松动发热引发火灾的事故，因此这种限流方法的使用逐年减少。

（3）用限流接触器限制补偿电容器合闸涌流

针对以上技术缺陷，从20世纪90年代开始，具有限制电容器合闸涌流功能的一种专用交流接触器逐渐在无功补偿产品中得到应用。具有限制电容器合闸涌流功能的交流接触器型号较多，例如Hi19型、CJ19型、CJX2-kd型、CJ149型等。这种接触器在电容器合闸时将一组阻值不大的电阻丝串联进电容器合闸回路中，用以限制合闸涌流；经过短暂延时后限流电阻退出运行，这样可以有效地抑制电容器合闸涌流。这种专用交流接触器用于电容器的投入和切除，对补偿装置的安全运行，延长交流接触器及电容器的使用寿命起着重要的作用。

（4）晶闸管投切技术

随着科学的发展，技术的进步，一种采用晶闸管控制电容器投切的方案应运而生。该技术在无功补偿系统中以其灵活、便捷和快速的控制特性得到用户的青睐，是目前应用较多的一种电容器投切技术。之所以能得到广泛应用，主要是因为该技术可以实现电容器电压过零投入、电流过零切除，可以有效限制合闸涌流和操作过电压，延长补偿设备的使用寿命和维修周期。

这种投切方案虽然有动态响应速度高的优点，但由于晶闸管导通时有压降的缘故，会消耗一定的能量并发热，如果处理不好，很容易造成晶闸管损毁，为此，须给晶闸管安装散热片降温，自然冷却效果不佳时还要采用风冷、水冷或其他冷却方式，这都将使补偿系统的体积变大，不能顺应系统小型化的发展方向。

有鉴于此，工程技术人员在思考另外一个方案，就是开关器件还使用晶闸管，但它只在电容投入或切除过程中发挥作用，开关结束后则由自保持继电器或接触器来维持投切后的稳态工作。这样晶闸管仅在电容器投切时有若干毫秒的持续工作时间，稳态时晶闸管没有导通电流，因而可省去晶闸管的散热器，但保留了晶闸管高动态的优点。这就是比较成熟的晶闸管投切电容技术，或者称作TSC复合投切开关技术。

（5）TSC复合投切开关

这项新技术、新器件是21世纪研发并投入使用的科研成果。

TSC复合投切开关技术，就是开关器件还使用晶闸管，但它只在电容投入或切除过程中发挥作用，开关结束后则由自保持继电器或接触器来维持投切后的稳态工作。这样晶闸管仅在电容器投切时有不超过几毫秒的持续工作时间，稳态时晶闸管没有导通电流，因而可省去晶闸管的散热器，但保留了晶闸管高动态的优点。这就是比较成熟的的晶闸管投切电容技术（Thyristor Switching Capacitor，TSC），或者称作TSC复合投切开关技术。

复合投切开关是由三个独立组合开关组成的，所谓组合开关，即将双向晶闸管（或者两个反向并联的单向晶闸管）和磁保持继电器组合在一起，用于低压无功补偿电容器的通断控制。复合开关的基本工作原理是将晶闸管与磁保持继电器触点并接，实现电压过零导通和电流过零断开，使复合开关在接通和断开的瞬间具有晶闸管开关无涌流的优点，而在正常接通期间又具有物理开关无功耗的优点。其实现方法是：投入时在电压过零瞬间控制晶闸管先导通，稳定后再将继电器吸合导通；而切除时是先将继电器断开，晶闸管延时过零断开，从而实现电流过零切除。由于采用单片机控制投切并智能监控晶闸管、继电器、输入电源和负载的运行状况，从而具备完善的保护功能，包括：

①电源缺相保护：系统电压缺相时，开关拒绝闭合；②自诊断故障保护：系统自动监控晶闸管、继电器的运行状态，若其出现故障，则拒绝闭合或自动断开退出运行；③停电保护：接通后遇突然停电时，自动跳闸断开。复合开关无谐波产生：由于导通瞬间是由晶闸管过零触发，延时后由继电器吸合导通，所以工作时不会产生谐波。

复合投切开关还具有功耗小的优点。由于采用了磁保持继电器，控制装置只在投切动作瞬间耗电，平时不耗电；且由于继电器触点的接触电阻小，因而不发热，这样无须外加散热片或风扇，彻底避免了晶闸管的烧毁现象，降低了成本，真正达到了节能降耗的目的。

复合投切开关可对电容器实现分相补偿控制，也能实现三相共补控制，使无功补偿的效果更佳。

3.3.2　无功补偿控制器的技术发展

20世纪六七十年代的电容器投切控制使用按钮与交流接触器，像启动单向运转的电动机那样，在每台电容器回路中串联一组熔断器进行短路保护，不采取任何合闸涌流限制措施。

七八十年代逐渐开始使用无功补偿自动控制器，控制路数最多可以达到10路；控制投切的参数阈值通常是功率因数，这种控制方案的缺点是，系统轻负荷运行时容易出现投切振荡。控制功能的实现使用的是CD4000系列的数字集成电路。

随着电子技术的快速进步，从20世纪八九十年代开始至21世纪初，工程师们开发出了使用单片机技术的无功补偿控制器，控制投切的阈值除了功率因数外，也有由系统无功功率决定投切的产品，这种控制方案能有效防止电容器投切振荡现象的发生，提高了无功补偿的质量和系统运行的可靠性。

近些年市场上出现的无功补偿控制器更是品种规格繁多，功能各异，总体技术水平有了极大的提高。主要表现在以下几个方面。一是既可向投切开关提供交流电压，用于驱动交流接触器的线圈，也可选择提供直流信号，用于控制复合投切开关的动作；二是投切控制路数大幅度增加，由10路、12路提高到24路、48路甚至更多；三是可对电力系统中的单相无功功率进行分相补偿，使得补偿效果更加精细；四是控制投切的电容器可以合理分组，每台电容器的容量经过合理选择，可一次性投入多台电容器，快速将系统补偿到最佳状态。

3.3.3　智能电容器自组网补偿技术

智能电容器是电力系统无功补偿技术发展历史上的重要里程碑。智能电容器之所以称为智能型产品，是因为它可以无需补偿控制器的支持，自我生成一个独立的无功补偿系统。它具有过零投切、自动保护功能，是低压电力无功自动补偿技术的重大突破，可灵活应用于低压无功补偿的各种场合，具有结构简单、组网成本低、性能优越、维护方便等优点。

智能电容器中的投切开关具有特殊的电磁式过零投切技术，其过零投切的偏移度小于2.5，投切涌流小于2.5倍额定电流。智能控制单元通过检测投切开关动静触点断开时两端的电压，控制其在电压过零点时闭合；通过检测投切开关动静触点闭合时的电流，控制其在电流过零点时断开，实现“过零投切”功能，使投运低压电力电容器时产生的涌流很小，退运低压电力电容器时不发生燃弧现象，从而延长了低压电力电容器和投切开关电器本身的寿命，也减小了开关电器投切时对电网的冲击，改善了电网的电能质量。

智能电容器在多台联机使用自我组成一个无功补偿系统时，可以自动生成一台主机，其余则为从机，构成低压无功补偿系统自动控制工作；个别从机出故障可自动退出，不影响其余智能电容器正常工作；主机出故障自动退出后，在其余从机中自动生成一台新的主机，组成一个新的系统正常工作；容量相同的电容器按循环投切原则，容量不同的电容器则按容量适补原则投切，确保投切无振荡。

在电网三相无功负荷分布不平衡的场合，智能电容器可采用三相共补和三相分补相结合方式，根据每相无功缺额大小，对三相电源分别投切电容器进行补偿，实现最优的无功补偿效果。

智能电容器具有自己的操作面板和LCD显示器，显示数据齐全完整，可显示内容包括配电电压、配电电流、配电功率因数，智能电容器自身的运行电流，电容器壳体内的温度等。

智能电力电容器的保护功能包括：配电过电压、欠电压及缺相保护；电源引入端过温度保护；电力电容器各相过电流分段保护；电力电容器本体内部过温度分段保护等。

智能电容器具有人机对话功能。这也是运行维护人员操作、调试、维护智能电容器的重要技术手段，只有通过人机对话，才能正确操控智能电容器。

3.3.4　绕线转子式异步电动机无功补偿技术的发展进步

绕线转子式异步电动机的无功补偿，传统技术是与笼型异步电动机采用相同的方案，对电动机所需的无功功率进行补偿。现代技术可采用静止式进相器对绕线转子式异步电动机进行无功补偿，这种装置是专为大中型绕线式异步电动机节能降耗设计的无功功率就地补偿装置。它串接在电动机转子回路中，通过改变转子电流与转子电压的相位关系，进而改变电动机定子电流与电压的相位关系，达到提高电动机自身功率因数和效率、提高电动机过载能力、降低电动机定子电流和自身损耗的目的。绕线式异步电动机专用静止式进相器对无功功率的补偿与电动机定子侧并联电容器补偿有本质的不同。电容补偿只是对电动机之外的电网无功进行补偿，它只是减少了电网上无功的传输量，电动机的电流、功率因数等电动机本身的运行参数无任何变化。而静止式进相器对无功功率的补偿是提高了电动机自身的功率因数。

无功补偿技术的发展日新月异，新理论、新技术、新产品、新器件不断出现，推动着补偿水平的提高。无功补偿技术的应用并不局限于低压电力系统，在6kV、10kV等各电压等级都有广泛的应用。无功补偿技术不仅应用于补偿感性无功功率，也适用于补偿容性无功功率。同时，随着技术的发展，科技的进步，静止无功发生器SVG（Static Var Generator ）也在快速地进入电力系统无功补偿的领域。静止无功发生器SVG 是一种静止型电气装置、设备或系统，它可从电力系统吸收可控的容性、感性电流，或是发出或吸收无功功率，从而达到无功补偿的目的。