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電抗補償技術的應用
2019-04-26

摘 要:本文先通過介紹儲能元件電抗器、電容器的基本作用和工作原理。利用電抗器和電容值産生自由振蕩和諧振,來分析闡述電抗補償這一原理。講述了電抗器的感量值與電容器的容量值得補償關系,同時也提出了電抗補償技術應用在交流電動機電容器耐久性試驗設備和抑制電源電磁幹擾用固定電容器交流耐久性試驗設備中所注意的問題和事項,從而提高電抗補償率。


關鍵詞:電抗器;諧振;電抗補償;補償效果系數;電容器耐久性試驗;試驗設備;


1、 引言

在電力電網系統上,采用電容補償技術是必不可少的,其主要作用是無功補償或者功率因數補償。電力系統的用電設備在使用時會産生無功功率,而且通常是電感性的,它會使電源的容量使用效率降低,而通過在系統中适當地增加電容的方式就可以得以改善。

然而,本文闡述的電抗補償與電力電容補償有異曲同工之處。電抗補償是應用在交流電動機電容器耐久性試驗設備和抑制電源電磁幹擾用固定電容器交流耐久性試驗中,在試驗的電容器樣品上增加電抗的方式來大大降低電源功率和減少電量的損耗。


2、 儲能元件的作用

1) 電抗器(L)

       電抗器也稱為電感器,通常把導線繞成線圈,以增強線圈内部的磁場。磁場也儲存能量,因此電抗器是一種能夠儲存磁能的部件。其電壓與電流的關系:u = L di/dt (L 為電抗器感量),公式表明:在某一時刻電抗的電壓取決于此時刻電流的變化量。在電抗器中,其電流滞後電壓 90°。

       電抗器也屬阻抗元件,其阻抗稱為感抗:ZL=2πfL。

2) 電容器(C)

電容器是由兩片金屬極闆用介質隔開構成的。在外電源的作用下,極闆上便能分别聚集等量的異性電荷,形成電場。在這過程中外電源所輸出的功應等于電容器所儲存的能量。因此,電容器也是一種能夠儲存電能的部件。其電壓與電流的關系:i = C du/dt(C 為電容器容量),公式表明:在某一時刻電容的電流取決于此時刻電壓的變化量。在電容器中電流超前電壓 90°。

電容器也屬阻抗元件,其阻抗稱為容抗:ZC=1/2πfC。

3 LC 電路中的自由振蕩[1]

如果一個電路由一隻電抗和一隻電容組成(見圖 1),那看看會産生什麼現象?

LC電路中能量的振蕩

假設電容的初始電壓為 U0,電抗的初始電流為零。顯然,在初始時刻,能量全部儲于電容中,電抗中沒有儲能。這時電路的電流雖然為零,但電流的變化率不為零,這是因為電抗電壓必須等于電容電壓,電容的電壓不為零,電抗電壓也就不為零,而電抗電壓的存在,意味着di/dt≠0。因此,電流将開始增大,原來儲存于電容中的能量将發生轉移。随着電抗電流增大、電容放電,能量逐步轉移到電抗的磁場中。當電容電壓下降到零的瞬間,電抗電壓也為零,因而 di/dt=0,電流達到了最大值 I,此時儲能全部轉入到電抗。由于電抗電流不能躍變,電路中的電流将從 I 逐步減小,電容在這電流的作用下又被充電。當電抗中的電流下降到零的瞬間,能量又在度全部儲于電容之中。這意味着上述過程可以不斷地重複進行,形成周而複始的振蕩,這種振蕩稱之為自由振蕩。

4) LC 諧振

 在上述(圖 1)電路中,在什麼條件下,電路能産生諧振(或稱等幅震蕩)呢?電抗 L 的感抗 ZL 與電容 C 的容抗 ZC 相等。

 即:ZL = ZC ;

當滿足這種情況,也就是說:電抗儲存的磁場能量與電容儲存的電場能量相等,産生的自由震蕩的幅度才能相同。在此狀态下,能量轉換地最徹底。在日常中,電視機、收音機進行頻率調諧就是采用這一原理,當産生諧振時,接收到的信号是最強的。


3、 電抗補償的基本原理

在交流電動機電容器耐久性試驗(GB/T 3667.1-2016 中 5.13 條款)[2]和抑制電源電磁幹擾用固定電容器交流耐久性試驗中(GB/T6346.14-2015 中 4.14 條款)[3]。這兩個試驗項目的試驗條件是:将交流電源施加多隻試驗電容器上,進行長時間試驗(具體時間根據該試驗項目要求确定)。一般最短時間也要 200 小時,第二種類型的電容器耐久性試驗時間為 1000 小時。

此時,可能會馬上想到完成這種試驗,交流電源功率多大?需要損耗多大電量呢?假如:試驗電壓 U 為 700V(頻率 f 為 50Hz),電容器的總容量 C 為 500uF,那算一算所需功率 P 是多少?

P= U2/ ZC;(其中:電容總容抗 ZC= 1/2πfC )

把數值代入上述公式中,計算出電源所需功率 P≈ 77kW;如果試驗時間 T 為 600小時,那完成這項試驗所消耗的電量約為 4.6萬度。因此,完成一個耐久性試驗帶來如此大的電網負荷和電量成本費用,這顯然不能接受的。

如果在一隻或多隻試驗的電容器樣品上增加相應的一組電抗,連接方式并聯,見圖 2,那看看效果會如何呢?

增加電抗的試驗電路圖

從圖 2 電路看出,電抗與試驗電容是并聯方式[4]。在“1.4”中所述,當電抗的感抗 ZL 與試驗電容的容抗相等時,電路會産生諧振。也就是這兩種儲能元件的能量可以相互轉換,即磁場能量與電場能量相互轉換,猶如蕩秋千的動能和勢能相互轉換。但在實際的電路中,有導線電阻、電抗的内阻和電容的漏電等因素,這種振蕩也會逐步衰減。同樣,蕩秋千也有空氣阻力、轉動摩擦力等因素,也會慢慢停下來。因此,維持電抗與電容的振蕩需要外加電源 U,同樣蕩秋千也需外加推力的情況下保持擺動。當然,隻要滿足諧振條件,即:電抗的感抗 ZL 與試驗電容的容抗 ZC 相等時,所需的外加電源的電量是非常小的,這就是本文闡述的電抗補償的基本原理。那麼在電抗補償設計中,其電抗的感量 L 與試驗電容的容量 C 推算公式如下:

有:ZL = ZC

則:L = 1/(2πf×2πfC)…… (1)


4、 電抗補償在試驗設備中的應用

1) 如何設計應用

在實際工作中,每次進行耐久性試驗,其試驗樣品電容器的總容量是不同的。那麼,試驗使用的耐久性試驗設備是如何實現電抗補償技術呢?由于不同的試驗電容器容量需要有對應的電抗的感量進行補償,見公式(1)。在選擇對應電容器容量的電抗感量,一般采用一組感量值的電抗,組合選擇不同感量值的電抗來補償對應的試驗電容器的總容量。例如:設計一台個最大總容量為 500uF 的試驗電容耐久性試驗設備,可以選擇如下一組感量的電抗和其對應的補償電容值,見表 1。

電抗和其對應的補償電容值

這一組電抗的感量值是通過公式(1)算出,并列出相應的補償電容量,且這些電抗是采用并聯方式連接,見圖 2。如果試驗設備把所有電抗使用上去,相加補償的電容合計正好 500uF。假如試驗是電容總容量是 300uF,則試驗設備就可以選擇補償 20uF、140uF、140uF三隻電抗補償進行試驗,其補償電容器的合計也正好 300uF。又假如試驗是電容總容量是 310uF,試驗設備仍然選擇補償 20uF、140uF、 140uF 三隻電抗補償進行試驗,這就有 10uF 相差值了。由于可調電抗制作工藝難,購買大功率的可調電抗成本很高,因此電容耐久性試驗設備都采用一組固定電抗,通過組合方式,選擇合計補償容量接近試驗電容的總容量的一組電抗進行試驗。

2) 補償效果系數

在試驗設備的電抗補償電路中,還存在導線電阻、電抗内阻、鐵芯渦流、電容漏電等因素,再加上電抗補償的總容量與試驗電容的總容量不等的現象,這樣電抗補償電路就有電能損耗,也就無法實現理想的無阻尼諧振,因此需要外加電源 U 對其補給。對于設計制作的電抗補償電路應盡量減少損耗,達到較高補償效果。

在采用了電抗補償技術的電容耐久性試驗設備中,其關鍵技術指标就是補償效果系數。補償效果系數η是試驗電流 A2 與線路電流 A1 之比,見圖 2。即:η=A2/A1。如果補償效果系數是 20,那麼線路電流隻有試驗電流的 1/20 倍,也就是外加電源的功率減小 20 倍。上面舉例過在無電抗補償情況下,計算完成耐久性試驗,電源功率約77kW,消耗電量約 4.6 萬度。那麼采用電抗補償技術,其電源功率隻有 3.8kW,消耗電量隻有 2300 度,極大降低了電源功率和電量成本費用。

每台電容耐久性試驗設備會給出試驗電容總容量範圍,然而在這個範圍内,其補償效果系數是不同的。主要原因是固定電抗組合有個最小變化量,在表 1 中其最小變化量是 20uF。通常在這容量範圍内,其試驗設備是是取最低值為該設備的補償效果系數,試驗設備的補償效果系數越高,就越能降低了電源功率和電量成本費用。如何提高試驗設備的補償效果系數呢?應該注意以下幾個方面[5]

  • 盡量降低固定電抗組合的最小變化量;

  • 選購高品質的電抗(鐵芯、銅線和絕緣等材料優質,制作工藝和散熱良好);

  • 電抗的實際功率确保是其額定功率的 1.2 倍為宜,避免電抗過熱燒毀和産生磁飽和現象;

  • 連接的導線一定要盡量短,線徑足夠大,且安裝牢緊,減小阻值;

  • 選購高品質的交流接觸器,滿足電抗組合的“開”或“關”要求;

  • 在試驗過程中,有失效的試驗電容器需盡快剔除。

3) 試驗設備的功能參數

目前,大多數品牌的電容耐久性試驗設備有自動電抗補償功能,方法是先自動測量試驗電容的總容量,再由 PLC 控制,自動選擇對應的補償電抗組合,這樣設備操作簡便可靠。除此功能外,還有試驗電壓自動調節功能,補償效果系數自動調節功能等。例如賽寶品牌 55XX 系列的交流電容器耐久性試驗設備就有較多功能,見圖 3。其主要功能參數如下:

  • 可滿足耐久性試驗和沖擊(通斷)試驗;

  • 全自動化進行試驗測試,所有參數在觸摸屏上設置和顯示,參數斷電記憶;有遠程監控功能(通過手機);

  • 自動檢測試驗電容器的總容量,自動完成電抗補償;達到最小輸入電流,補償效果系數為 20;

  • 當試驗電壓出現過壓或欠壓時,有自動調整試驗電壓功能(範圍1~10%可設);

  • 實時監控線路電流,當試驗過程中電容器的容量變化過大,補償效果差時,設備有重新自動補償電抗後再繼續試驗功能;

  • 多路輸出,實時監控每個通道的電壓、電流;

  • 具有電壓 0V 起調、有過壓、欠壓、過流等安全保護功能;

55XX 系列交流電容器耐久性試驗設備

                            圖 3 55XX 系列交流電容器耐久性試驗設備


5、 小結

随着電容器制造業的發展,交流電動機電容器和抑制電源電磁幹擾用固定電容器的規格要求越來越高,其電容的容量和試驗電壓不斷增大增高,完成其耐久性試驗采用電抗補償必不可少。因此,交流電容器耐久性試驗設備采用電抗補償技術顯得尤為重要,一方面的作用是可以節能環保,降低試驗成本;另一方面的作用是可以延長試驗設備的壽命。


參考文獻:

[1]《電路分析基礎》,李翰荪編寫,人民出版社出版,1981。

[2]國标 GB/T 3667.1-2016《交流電動機電容器 總則》,國家标準局發布,2016。

[3]國标 GB/T 6346.14-2015《抑制電源電磁幹擾用固定電容器 分規範》,國家标準局發布,2015。

 [ 4 ]《電路基本分析》,石生編寫 ,高等教育出版社出版,2014。

 [ 5 ]《電子信息産品安全标準解讀與應對》,陳立輝主編,中國質檢出版社與中國标準出版社聯合出版,2013