关键词 道路照明 不对称负荷 分相测量 混合补偿
一、引言近年来，随着城市道路照明的技术进步，高光效的高压钠灯、金卤灯已逐步淘汰了传统的低光效白炽灯和汞灯，形成了道路照明的主流光源，但由于高压钠灯、金卤灯都普遍存在自然功率因数偏低的问题（一般均在0.42左右），使得城市道路照明的供电系统功率因数处于较低的水平。目前国内的城市道路照明行业针对路灯用电系统的负载功率因数偏低的问题，通常是采用三相共补的集中补偿手段来改善其线路功率因数，起到了一定的补偿效果，但由于路灯三相负荷的不对称性，使得集中补偿措施的实际效果受到了较大的影响。虽然通过在新装的路灯线路上采用单灯补偿的方法来增加补偿效果，但由于单灯补偿成本高、故障率高、维修不便等原因而难以真正推广，使得功率因数偏低的路灯线路与先进的高效率光源已不相配套和适应。所以，探讨、研究针对路灯供电系统特点的集中补偿的技术措施，对提高路灯供电线路的功率因数具有十分重要的意义。
路灯供电系统的运行特点一是工作时间长（一般为5-12个小时/天）且负荷相对稳定，二是三相工作电流不对称，且不对称度较大，给传统的无功功率三相共补方案的实施带来了难题。三是由于负载均为气体放电类光源使得线路中谐波成分偏大。据此，我们经过较长时间的研究，总结出了适合于城市道路照明供电系统的三相功率因数分相测量、混合补偿的技术方案，取得了良好的使用效果。
二、设计方案
（一）设计指导思想1.针对不对称负荷的无功补偿方案，应该摒弃传统的三相功率因数共测共补的设计方案，而应采取分相检测。
2.补偿柜应该摒弃传统的无功功率共补的方案，而应采取分相与共补相结合和先共补后分补的混合补偿方式。
3.在分相补偿中为提高可靠性和节省空间拟采用Y接法的三相组合分补电容器组。
4.在分组补偿和三相共补偿线路中应有效地解决操作过电压、强电压和浪涌电流问题。
5.在分相补偿和三相共补偿线路中应有效地抑制谐波电流问题，并能有效地解决抗干扰问题。
6.为了提高产品的标准化程度和提高防护效果拟采用标准柜体，要考虑防雨防尘设计，并能有降温风机。
（二）设计技术方案
1.采用自行研发的混合补偿功率因数测控器分别对cosφA、cosφB、cosφC 进行连续在线检测，并对补偿电容器的投入容量和顺序进行实时控制，应具有“分相+平衡”复合投切功能。其控制物理量为复合型（无功功率+功率因数），其性能参数应不低于以下要求：
（1）灵敏度≤100mA（2）动作误差不大于下表的规定：
稳定范围：确保控制器在满足补偿要求的前提下，确保稳定工作，不出现投切震荡。
2.采用先共补、后分补，先粗补、后细补的技术方案，确保预定的补偿效果。由于电容器在投入和切除时会产生很大的涌流和过压，暂态高压和投切冲击电流会导致电器绝缘击穿和接触器触头烧损，使接触器频繁损坏，同时还会影响电容器使用寿命和对电网造成干扰。所以采用机电一体开关作为电容器投切装置，其工作原理如图一所示：
机电一体化开关主要由CPU控制单元、晶闸管电子开关和交流接触器构成：
①CPU控制单元--接收无功补偿控制器发出的电容器投切信号，即“控制信号1”,并按预先设定的程序发出晶闸管和交流接触器的通断控制信号。
②晶闸管电子开关--它接收CPU控制单元发出的触发信号，实现电容器的零电压投入和零电流切除功能。
③交流接触器--它接收C P U控制单元发出的分合指令，即“控制信号2”.交流接触器只在稳态时，起到无功补偿电容器与电网之间的能量传递作用。
3.在整体改制过程中，以GB14048-1997《低压开关设备和控制设备》及GB50227-95《并联电容器装置设计规范》的要求作为设计依据和样机验收依据。
4.装置的整体电气系统简图如图二所示：
图二中的混合补偿功率因数测控器根据实时分相检测的系统功率因数值决定补偿装置中补偿电容器的投入容量和顺序，一般原则为先共补，后分补（通常共补有5-7个控制点，分补有3-5个控制点），先粗补，后细补（粗补时每相每次的投入容量为6KVAR左右，细补时每相每次容量为3KVAR左右为宜），其中共补电容器组用△形接法，分补电容器组采用Y接法。图二中的混合补偿功率因数测控器设有数字显示器，除跟踪显示三相功率因数外，还显示三相电压，三相电流及三相功率。测控器从软件到硬件设计采用了双重抗干拢措施，保证微电脑测控器不会死机，为防万一，测控器还设有手动装置，以保证系统的正常运行。考虑到道路照明供电系统的“三遥”控制的需要，装置内备有RS-485（或RS-232）串行接口，可与设置在值班室的上位微机通讯，对三相电压、电流、功率因数进行检测和储存及传输给上位微机。装置还设有过压保护、欠压保护、过流保护和谐波保护等功能。
装置的主要设计技术参数测量系统：分相测量电压：400V（精度0.5级）测量电流：0~5A（精度0.5级）功率因数：滞后0.200~超前0.200（精度0.5级）测量功率：0~9999kw;0~9999Kvar（精度0.5级）工作电压：220V±15% 50Hz过压预置：230V~260V（回差5V）欠压保护：<190V延时时间：动态：20mS~32S电流互感器变比：100/5~3000/5目标功率因数：0.90~1.00环境温度：-25℃~55℃
三、试用结果我们将该装置用于镇江市滨江大道南1号路灯箱的路灯干线集中无功补偿，该节点的原有三相电压、电流及功率因数情况如下表所示：
经安装了混合无功补偿装置后其各相数据如下：
从上述两组数据对比不难看出安装了混合无功补偿装置后，该节点的各相功率因数显著上升，均达到和超过了国家规定要求，而且由于功率因数的提高，各项电流也显著下降，随之也带来了线路损耗下降和线路压降减小、电网无功损耗降低等一系列电气指标的改善，同时使原来需要增容的250KVA路灯专用电力变压器和配套的配电柜免于更换，为国家节约设备投入数万元。
通过试用，我们还发现，合理地组合和调整共补、分补电容器的电容量可达到减小三相负荷电流的不对称度，平衡三相负荷电流的作用，进而可以达到减小零序电流，进一步降低线路损耗和变压器损耗，提高仪器仪表的测量精度。
参考文献：
[1]王兆安 杨君 刘进军。 谐波抑制和无功功率补偿[M], 机械工业 出版社， 1998.
[2]高宇英 刘乾业。 智能型低压补偿装置若干问题的探讨[I] 电力电容器， 2002. {4}: 43-47.