上海世博德国馆电能质量项目

摘要： 本文结合上海世博德国馆工程选用法兰克盖姆普无功产品的实例，介绍了无功补偿的相关问题及有关器件的最新发展。

关键词： 无功补偿
世博德国馆

1. 上海世博德国馆概况：

德国馆



2. 上海世博德国馆电能质量立项的立足点

1). 节能
据于无功功率的定义：电网中的变压器、电机、感应加热器、线圈等感性负载的电流滞后产生的磁场反向能。
用户侧的功率因数只有 0.6-0.7 ，而损耗占 30%-40% ，主要配电设备（如变压器、电机等）的自身损耗用电设备，因此 上海世博德国馆无功节能是第一目标。说明如下：
众所周知，在电力系统中存在一个功率三角形的关系，那就是有功功率、无功功率及视在功率，它们的关系如下，见图 1-1 ：

由图 1-1 可知，在不改变负荷的情况下，增加对无功的补偿，其补偿后的总无功变为 Q-Q1 ，极大提高变压器的负荷量。下面举个例子来说明。
例如：某项目变压器总容量为 630kVA ，设备总有功功率为 500Kw ，功率因数 ，电压等级 0.4kV ；
其计算数据如下：
总视在功率 ，其变压器运行在过负荷状态下，若以后再增加负荷，其所需容量远远不够，能解决的办法只有换台容量大点的变压器，而这么做的话设备投资更大。但从另外一个角度来解决问题的话，若把 ，
其总视在功率 , , 释放容量为 104kVA, 其还可以增加小于 100Kw 的负荷量
，但其补偿无功容量 Kvar 只有：


且无功补偿前总电流为

无功补偿后总电流为
由此可见，无功补偿将产生如下效应：
l
总电流减少，即减少电费，功率因数的提高及降低电力局的罚款，有可能电力局有嘉奖，为电网作贡献；
（低压功率因数不低于 0.85 ，高压功率因数不低于 0.9 ）
l
大大释放变压器的容量，使其不在过负荷状态下运行；
l
大大减少线路的损耗（ ）；
l
大大提高系统电压的质量（ ）；
l
增加电抗器串联在电容器回路中形成串联谐振，可去谐波，清洁能源作用。


2) 用电安全
现代的电网存在谐波、共振、 瞬变，暂态，波动，畸变，下凹等因数。严重影响电网的质量。

上海世博德国馆 重点考虑以下 谐波污染 :
(1 ）造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥控功能失常、线路和设备过热灯，特别是三次谐波会产生非常打的中性线电流，使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性、可靠性的影响还表现在可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂灯。
(2 ）引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电压互感器灯设备损坏；造成变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容器；造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作；影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量；增大附加磁场的干扰等。
(3 ）对断路器的影响。谐波会使某些断路器的磁吹线圈不能正常工作，断路器的遮断能力降低，不能遮断波形畸变率超过一定限值的故障电流，对中压断路器截断电感电流时可能发生谐频涌波电压和重燃现象，导致断路器触头烧损。
(4 ）对消弧线圈的影响。当电网谐波成分较大时，发生单相接地故障，消弧线圈对谐波电流将可能不起作用，在接地点得不到的补偿，从而引发系统的故障扩大。
(5 ）对载波通信的影响。高谐波含量对电力载波通信的干扰主要表现在语音通信过程中产生噪声，数据传输失真，降低 EMS 、 DAS 实时数据的真实可靠性，造成集中抄表系统中数据出错等故障。
因此 上海世博德国馆 增加电抗器串联在电容器回路中形成串联谐振，达到滤去谐波，清洁电网从而达到 用电安全 作用。

3). 投资浪费
无功效应造成设备过度配置导致投资浪费
，但如果提高功率因数（即投入无功补偿后，其可节省投资费用） 如下表， 功率因数 1 从到 0.5 ，电缆截面差四倍之多！


4). 环境保护
无功效应产生大量发热，而导致二氧化碳大量排放！ 无功 补偿对减少温室气体的排放 ! 意义更重大！

3. 上海世博德国馆电能质量方案要点

(1) 避免传统无功补偿的问题，即
单一的电容补偿：造成电网风险：谐波、共振、过载；
传统落后器件：电容器体积大，介质老，损耗大。无优良的解决方案；单一的开关柜方式；
(2) 采用 FRANKE 最新无功补偿：环保型滤波补偿的方案，特点为：
从单一电容无功补偿到电容电抗滤波补偿
从单一滤波补偿到不同电网谐波情况下的滤波补偿
从老式高损耗器件到最新介质的高性能器件
从传统柜式到模式母线新结构
具有 SVG （无功发生器） AHF （有源滤波器） FC （电容装置）的综合效果。


(3) 上海世博德国馆工程选用世界最新的 GMKPb 环保型 自动智能无功（抑谐防振）补偿方案的特点：


带串联电抗器保护 :
（1）
欧洲早在十几年前就认识到电网谐波对干扰
与损害电网安全及关联用电设备正常运行的危害并
制定了强制性法规，基本上只允许安装串联电抗器
的无功补偿装置。实践证明：虽然装置增加了一些
成本，但是其明显优点如节省无功电流费用，减轻
导线、熔断器及变压器的负荷，减少谐波电流与谐
波电压，防止电网谐振使整个用电电网与供电电网

更安全可靠与高效。

1.1 无功补偿装置串联调谐电抗器，使该回路的谐振频率调谐低于最低次谐波，使其在工频时呈容性，改善功率因数达到 0.95 及以上。在谐振频率呈感性，防止谐振的发生以防止谐波的放大 , 同肘由于电抗率是针对系统主要谐波频率设定的 , 因而在该次谐波频率时能与电容器产生串联谐波谐振。使装置在该次谐波频率形成非常低的阻抗（趋近于零），让大部分的该谐波电流 ( 约 40-60%) 左右流入本装置，而不流向供电系统。通常电抗率为 7%,5.67%,14% 等 , 也可以采用不同电抗率组合而成 .

1.2 根据系统谐波变化情况 , 还可设计成具有不同电抗率的组合 无功补偿 ( 滤波 ) 装置 , 如 N1=3,N2=5,N3-7… 等 , 这种串联谐振电路的 谐振频率同样分别对各次谐波电流有较小的阻抗 , 因此大部分的该谐波电流流入装置，而不流向供电系统 . 其投入与切出时必须遵循投入从最低频率回路开始而切出从最高频率回路开始 !, 但设计这种装置需详细的系统及谐波数据 , 一般单一电抗率 无功补偿 ( 滤波 ) 装置更为现实 .

1.3 根据负荷变化情况 , 该装置可设计成晶闸管 ( 可控硅 ) 快速开关投切式 , 但由于晶闸管 ( 可控硅 )( 尚没有真正可靠的过零投切技术 ) 对电网畸变的现实危害及大量的能耗及发热 , 因此欧洲 95% 的场合均采用传统的接触器加电抗器的方式而限制使用晶闸管 ( 可控硅 ) 方式 , 仅在极快速变化负荷如电焊机 , 吊车等场合使用 .
（2）
GMKPb 常用串联电抗率为 5.67%,7%,14% ，其相应谐振频率分别为 210Hz ， 189Hz 及 134Hz 。由于电网中谐波主要是 5 次与 7 次谐波，通常 7% 的电抗配置能解决绝大多数问题，即既能防止电网谐振，又能适当吸收电网谐波。但如果系统情况复杂，需要采用不同于 7% 电抗率，则必须经过实地实时测量后才能确定正确的串联电抗率。如果电网中经常出现的是三次谐波，则必须选择 14%-13% 的电抗率。
（3）
中国多数用户由于成本问题排斥使用带电抗的无功补偿方案，但是有些情况下必须串联电抗器：根据欧洲的经验与规范，如果用户产生谐波设备的总功率（ KW ）达到企业用电总功率的 10~15% 时；或者在 5 次谐波时谐波电压高出电网电压 2% （或者总的谐波频谱的谐波电压高出电网电压 3% ）时，则必须串联电抗器。要注意的是，这些数值的确定应在低负荷动作时段进行考查，因为这时用电设备的电网抑制消失，容易产生推移而导致快速形成谐振。
（4）
串联电抗率产特点为
采用铜线外露（非绕包式或绝缘布绕式）的新型结构
采用 H 级绝缘等级材料以保证良好的绝缘水平
采用 1.8 倍电流不饱和设计，以保证良好的裕量
顶端必须由角钢突出压板，以可以在安装中良好搬运
采用温度保护装置使温度范围为 120℃ 左右（常闭接点）
采用 “O” 形圈式的接线连接端子以保证良好的出现连接
带风道设计：三相线圈都产用带风道设计，其增加环流功能，更能对热量进行散发，使其滤波效果更好



2.2 采用最新的气体介质型圆柱形环保化电容器 GMKP:
（1）
GMKP 电容器与老一代产品相比主要是介质上的革命。 GMKP 采用特殊气体作为介质代替原有的油或环氧。故其比特性大大提高，使用寿命达到 10 年左右，并且是新一代的环保型产品。
（2）
由于 GMKP 电容器为圆柱形结构，方便紧凑型安装，可设计成 “ 子弹夹 ” 式大大减少空间； GMKP 本身重量与体积仅为现有国产产品的 1/3 左右，其本身又大大减少柜体重量与体积；相同柜体的补偿容量可增加 2~3 倍。由于老式电容器的油式结构使其只能竖立安装，而 GMKP 的气体介质可在各个角度保证电容器内都不出现绝缘 “ 空洞 ” 而可以任意位置任意角度安装，这些特点使 GMKPb 可灵活设计成模块式、抽屉式。
（3）
GMKP 电容器是真正的干式产品，为五级安全型设计，特别是其保护装置采用过压力拉断与电流熔断双重保护，确保在任何场合均安全可靠地切除故障电容器。
GMKP 与国产老一代产品主要安全性能对比如下表示：
GMKP 与国产电容器安全特性比较

	GMKP	国产电容器
可燃性	特殊保护气体 防火——不燃烧 阻燃——对火焰有阻挡作用	油式、蜡式、环氧式 均能燃烧
安全装置	压力、电流双重保护，对使用损坏与突发冲击电流损坏均能保护	单一保护
端子防护	完全可触护	端子部分带电
外壳保护	铝壳不生锈	外壳易锈
放电模块	有防护装置，能更换	直接内置，损坏后不能更换
环境保护	可回收，无污染	污染产品

GMKP 与国产电容器安装方式对比

内容	GMKP	国产电容器
安装镙栓	仅需底部一个，（M12mm） 节省安装时间	需4个镙栓
安装姿势	可360度任意角度，任意位置	只能直立
电缆并联	双端子并联，更适合组合使用	单端子并联
安装间隔	可紧靠（线接触）	不能紧靠（面接触）
户外安装	专用防护套，简单方便	需加装铁壳
海拔高度	4000米	2000米

GMKP 与国产电容器使用寿命比较
比较指标 : 影响寿命的电容器原件喷金层膨胀比率

浸渍物	膨胀比率	制成电容器统计寿命	型式
硅油	3%	5~7年	非真式
矿物油	3%~4%		非真式
S油	7%	5年左右	非真式
凡士林	遇高温即变液体	2~3年	半干式
石蜡	70℃左右变液体，一般只能用于230V电容器产品	2~3年	半干式 半干式
气体	无膨胀问题	10年	真正干式

2.3 采用全自动智能型控制器
（1）
具有全自动、半自动、手动三种模式，可以自动检测并 “ 记住 ” 电流互感器的位置和柜子中各组电容器的容量。
（2）
采用最优控制比控制方式，较传统的等值投切方式可减少回路 40~60% ，降低成本 30~50% 。如 100kvar 可设定为 1 ： 1 ： 2 ： 4 模式，即 12.5 ： 12.5 ： 25 ： 50 千乏，仅 4 个回路；传统方式如仍以 12.5 千乏为最小组，则需 8 个回路。以 250 千乏为例比较如下表


(3) 循环的非线性投切。按 FIFO （先进先出）原则投切实可切：如电容器按 1-2-3 -4-5 顺序投入，则也按 1-2-3-4-5 顺序断开，以把负担平均分配给所有的部件，如电容器与接触器。此外电容器从切断到再次投入前有足够的时间进行放电。同时，循环投切也适用于变动投切程序：如在 1 ： 2 ： 2 ： 2 ： 2 ： 2 控制比中，所有 “2” 组可循环， “1” 组则用于微调；在 1 ： 1 ： 2 ： 2 ： 4 例子中，相同组（ 1 ： 1 及 2 ： 2 ）
亦可实现循环。
（3）
优化投切。通过不断测量无功的变化，总是可以投入功率尽可能大的电容器。如 25 ： 25 ： 50 ： 50 千乏柜子中，在无功至少需 50 千乏情况下会立即投入 50 千乏组，而不是通过 25 千乏组来累加，由此减少投切次数，提高器件寿命。
（4）
投切时间设定。电容器投切的时间可以预先设定，同时断开后再投入的时间也可以锁定为 20 ， 60 ， 180 及 300 秒，以保证断开后的电容器残留电压小于工作电压的 10% 。
（5）
回路投切次数设定。可以查询某一回路、某一时段内的投切次数，并可以预先设定，方便一些特殊控制的需要。
（6）
谐波控制功能。可循环显示 3~17 次谐波份量，并可设置谐波报警或切断。 3~19 次谐波的份额可以百分比的形式规定 10 个界限值，当至少一种谐波超出设置值达 5 分钟时，则警报或切断动作。
（7）
温度保护。测量柜体内环境温度，超过设定值可起动冷却风扇或报警或切除动作，可省去原用的热保护装置。
（8）
发电机运行模式。当系统变成电机模式，即在向电网回馈有功的过程中，同样可以测出感性无功并进行充分补偿。
（9）
通讯接口功能。具有 RS232 通迅端口，利用电脑可远程查询或修改所有重要的测量值与控制数据，实现远程遥控。

2.4 采用专用可靠的投切接触器及熔断器负荷开关
(1) 一般为带电抗器与非电抗设备用接触器两种，其特点是接触器带有过流及放电二个超前触点，可充分吸收投切过程中的浪涌电流及电容器卸载后的残余电荷。投切寿命达到 10 万次，基本上与其采用的电容器的使用寿命一致即 10 年左右。
(2) 熔断器开关代替塑壳断路器也是欧洲无功补偿的发展趋势，熔断器开关具有更可靠的镇定值，环境可靠性及选择性。

2.5 自动的多功能跟踪与控制
（1）
自动智能化地跟踪与调控功率因素，具有人脑化节能优化管理功能
（2）
自动智能化地跟踪谐波的变化，而自动切入谐波电抗器。
（3）
自动智能化地跟踪谐振点的偏移情况，提前发出报警信号或切除装置。
（4）
自动智能化地跟踪负荷需量的变化，可进行预警或调控设备，从而保证负荷运行
在限定负荷容量之下，在当前电力需求管理方面有相当意义。
（5）
自动传送运用数据，可按每 15 分钟， 60 分钟等传送功率因素，开关动作次数，无功节电量，用电事件情况，以及基本用电参数等，可支持 ModBus 等多种协议或载波，基站，拨号等多种通讯方式。

运用于上海世博德国馆工程选用世界最新的 FRANKE 环保型 自动智能无功（抑谐防振）补偿产品：