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2.4 低压补偿装置测试 |
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数据中心内大部分用电设备均属于非线性负载，这些非线性负载使供电电源电压相位发生改变，因此电压波动大，无功功率增大，功率因数过低，以致供电电源输出电流过大而出现超负载现象。这些电能质量问题在实际运行中表现如下。
（1）电网可靠性
因谐振导致的谐波放大，使电网电能质量变差，影响电网稳定性，或关键时刻因谐波放大导致油机带载失败，均可能造成重大事故。
（2）设备故障
电容器故障率高，需经常更换，增加设备全生命周期成本。
（3）人身安全
电容器连接端子和线缆烧毁裸露，因谐振导致的其他线路与设备的耐压与绝缘将受损。
（4）电磁波干扰
电网谐波造成的电磁波，会对信息通信设备产生干扰，引起误动作，造成量测误差等问题。
（5）可维护性
电容器频繁更换，需要耗费大量工作时间，并且影响系统运行，可维护性较差。
（6）经济性
因无功与谐波导致的损耗将增加能耗，浪费电能。
为解决上述问题，需在供电回路中接无功功率补偿装置来提高电力系统的功率因数，充分利用发电、变电设备的容量并达到节约能源的效果。
根据技术类型不同，低压无功功率补偿装置分为投切电容器补偿装置、静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）、有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）和综合补偿器等类型。
投切电容器补偿装置主要由总开关、电容投切开关、控制器、串联电抗器和电容组成，按照规定的响应时间可分为动态无功补偿装置和静态无功补偿装；按照补偿相数可分为三相补偿、单相补偿和混合补偿。
滤波补偿装置是采用高速DSP器件的数字信号处理技术和现代电力电子技术相结合的新型电力补偿装置，主要分为补偿无功SVG、补偿谐波的APF以及综合补偿器。SVG可在其额定容量范围内对感性和容性无功功率进行补偿，部分静止无功发生器产品具有一定的补偿谐波能力，但补偿谐波电流时不能输出额定容量。APF既可对感性和容性无功功率进行补偿，又可对规定次以内的谐波电流进行补偿，补偿无功和谐波时均能输出额定容量。
早期的数据中心，其典型负载如工频UPS、冷水机组、风机、水泵等都是感性负载，因此低压配电系统中的无功功率是感性的，采用电容器补偿可以满足要求。随着电力电子技术的发展，当前的数据中心普遍采用了高频UPS、高压直流电源等高频电源设备，这些设备的共同特点是在交流输入侧采用了有源PFC电路，包括现在的IT设备（如服务器、路由器、交换机等）其内部的电源模块也采用了有源PFC电路。这些高频电源设备的负载特性为容性，且其输入功率因数与输出负载率呈正相关性，即负载率越低，功率因数越低，负载率越高，功率因数也越高。电容器只能补偿感性无功功率，当负载为容性时，电容器无法补偿。为适应数据中心负载特性的变化，业界开始采用具备感性、容性双向无功补偿能力的有源无功补偿装置进行无功功率补偿。
投切电容器补偿装置一般设置在变压器的低压侧运行，受功率因数控制而自动运行的，由控制器捕捉功率因数来控制投入的电容组的数量。电抗器与电容器串联后，能有效吸收电网谐波，改善系统的电压波形，提高系统功率因数，并能有效抑制合闸涌流及操作过电压，有效保护了电容器的运行。
目前在投切电容器补偿装置测试时大部分场景主要参考GB/T 15576—2008《低压成套无功功率补偿装置》，依据该标准总结出的主要技术参数如表2-16所示。
投切电容器补偿装置测试用仪器仪表如表2-17所示。
表2-16 投切电容器补偿装置主要技术参数表
表2-17 投切电容器补偿装置测试用仪表
（1）抑制谐波和滤波功能
对于有抑制谐波和滤波功能的装置，应满足制造商规定的装置抑制谐波或滤波技术参数。
抑制谐波和滤波功能测试按GB/T 15576—2008第7.16条规定执行。由于应用场景的不同，在此标准中未规定相应的测试方法，只要求补偿后谐波电压在低压端应达到电压总畸变率小于或等于5%，各偶次谐波含量小于或等于2%，各奇次谐波含量小于或等于2%。补偿后的电流谐波应在380V侧各次谐波电流的值不大于GB/T 15576—2008表8的数值。
（2）动态响应时间
采用半导体电子开关或复合开关投切的装置，其动态响应时间应不大于1s。将装置放在自动工作接地，给装置施加额定电压，在主电路中投入大于设定值的感性负载，检测感性负荷的电压变化，并记录该时刻 T 1 ，同时检测电容器投入的电流变化，记录补偿电容器输出电流发生变化的时刻 T 2 ，则 T 2 和 T 1 的差值为动态响应时间。
（3）短路耐受强度和短路保护功能
装置应能够耐受不超过额定值的短路电流所产生的热应力和电动应力，对于无功补偿容量不小于150kvar的装置，其主电路的额定短时耐受电流应不小于15kA。
装置应具有短路保护功能，任何一条输出支路发生短路时，安装在该故障支路中的器件应将故障电路断开，而不影响其他支路正常工作，从而确保保护系统的选择性。
短路耐受强度和短路保护功能测试可参考本书中短路试验相关要求。
（4）保护电路有效性
并联电容器在运行中若电压、电流和温度超过了规定值，会缩短电容器的寿命，甚至造成电容器故障，所以应设有适当的保护及符合规定的投切控制。
试验主要从装置的裸露导电部件和保护电路之间的有效性以及通过试验验证保护电路的短路强度两个方面进行验证。
（5）温升测试
温升是指电子电气设备中的各个部件高出环境的温度，当设备中各种部件、材料和绝缘介质达到温升极限时，设备的安全绝缘性能损坏或降级、引起机械结构方面的不稳定性等方面的危害。
试验时应有足够时间使温度达到稳定值（温度变化为1K/h内），测量温度时应测试其周围环境温度。设备上所选取点的温升测量应在试验周期内的最后1/4进行。至少用两个温度测量点，分别用热电偶或者温度计，在约设备的1/2高度，距离1m处进行安装测试，最后取其平均值。测量时应注意防止空气流动和热辐射对测量仪器的影响。
（6）介电性能测试
绝缘电阻试验为分别在相间和相导体与裸露导电部件之间加直流500V电压，其绝缘电阻应不小于1000Ω/V。
工频耐压试验分别在装置所有带电部分与裸露导体部分之间，每个极与此试验链接到装置相互连接的裸露导电部件上的所有其他极之间，带电部件与绝缘材料制造或覆盖的手柄之间，分别施加如表2-18的电压。进行该试验时，框架不应接地，也不能与其他电路连接。若用绝缘材料制造的外壳，还应补充一次介电试验，在外壳的外面包覆一层能覆盖所有的开孔和接缝的金属箔，试验电压施加于这层金属箔与外壳内靠近开孔和接缝的相互链接的带电部件及裸露导体部件之间，试验电压同表2-18电压。
表2-18 额定绝缘电压和耐压试验电压值
（7）防护等级
对于户内使用的装置防护等级应不低于GB/T 4208—2017 IP20，户外装置防护等级应不低于GB/T 4208—2017 IP44，当装置采用通风孔散热时，通风孔的装置不应降低装置的防护等级。
防护等级测试方法按2.3.2节防护等级试验相关要求进行，这里不再赘述。
静止无功发生器是采用并联方式，向380V低压电网注入补偿无功电流，以抵消负荷所产生无功电流的主动型无功补偿装置，一般安装于低压配电一次侧。
有源滤波器是采用并联方式，向380V低压电网注入补偿谐波电流，以抵消负荷所产生谐波电流的主动型滤波装置，一般安装于产生谐波的负荷输入端。
综合补偿设备是采用并联方式，向380V低压电网注入补偿无功和谐波电流，以抵消负荷所产生无功和谐波电流的主动型无功及谐波发生装置。
目前，对SVG和APF主要是依据各行业标准进行检测，分别为JB/T 11067—2011《低压电力有源滤波装置》、DL/T 1216—2013《配电网静止同步补偿装置技术规范》和YD/T 2323—2016《通信配电系统电能质量补偿设备》。在数据中心领域，应用YD/T 2323—2016标准的比较多，因此根据该标准总结出的压无功补偿设备主要技术参数如表2-19所示。
无功功率补偿装置测试用仪表如表2-20。
表2-19 无功补偿装置主要技术参数表
表2-20 无功功率补偿装置测试用仪表
具体试验电路如图2-25和图2-26所示。
图2-25 补偿效果测试（三相三线接法无须N线）
图2-26 功耗测试（三相三线接法无须N线）
（1）无功补偿功能
无功发生器和综合补偿器具有提供感性和容性两种基波无功功率补偿电流的功能，当负载所需无功功率补偿不大于额定输出容量时，YD/T 2323—2016标准中要求基波无功补偿率应≥90%；当负载所需无功功率补偿大于额定输出容量时，补偿设备以100%额定输出容量投入运行。
无功补偿功能测试按以下步骤进行。
· 按图2-25接好试验电路，调节输入电压及频率为额定值；
· 让谐波源装置依次发出等于补偿设备额定电流值100%和20%的感性或容性无功电流，测出电源端此时的无功功率 Q o ；
· 再将补偿设备投入运行，测出补偿后电源端的无功功率 Q ；
· 按式（2-29）计算得出补偿设备输出100%和20%额定容量时的无功补偿率（RPC）。
· 让谐波源装置发出等于补偿设备额定电流值120%的感性或容性无功电流，再将补偿设备投入运行，测出补偿设备输出的无功功率。
按照测试经验总结出负载率越高，补偿率略高越高。此外，除了个别产品，行业内大部分产品的补偿率目前均能达到96%及以上。
（2）单次谐波补偿率
单次谐波补偿率是指补偿的 h 次谐波含量与谐波源产生的 h 次谐波含量之比值，以百分数表示。YD/T 2323—2016标准中要求每个单次谐波补偿率HCI h ≥85%。
单次谐波补偿率测试按以下步骤进行。
· 按图2-25接好试验电路，调节输入电压及频率为额定值；
· 分别让谐波源装置发出各个单次测试谐波电流，综合补偿器的单次测试谐波如表2-21所示，有源滤波器的单次测试谐波如表2-22所示，测出补偿前单次谐波的有效值 I h o ；
表2-21 综合补偿器单次谐波补偿率测试谐波
注： I h 的取值为补偿设备的额定输出电流值。
表2-22 滤波器单次谐波补偿率测试谐波
注： I h 的取值为补偿设备的额定输出电流值。
· 再将补偿设备投入运行，测出补偿后电源端该单次谐波有效值 I h ；
· 按式（2-30）计算得出各单次谐波补偿率（HCI h ）。
基于行业内多家产品数据分析看，由于低次谐波量比较大，其补偿率也相对较高。其中3次谐波的补偿率一般最高，有一些产品可高达99%，具体的测试示例数据曲线如图2-27所示。
图2-27 某样品单次谐波补偿率数据分析
（3）总谐波补偿率测试
总谐波补偿率是指补偿各次谐波量之总和与谐波源产生谐波总量之比，以百分数表示。YD/T 2323—2016要求在负载电流峰值系数（CF）≤2.5情况下，电网谐波电流在补偿设备额定输出电流的20% ～100%时，有源滤波器和综合补偿器的总谐波补偿率（THC i ）应≥85%。
总谐波补偿率测试按以下步骤进行。
· 按图2-25接好试验电路，调节输入电压及频率为额定值；
· 让谐波源装置发出等于补偿设备额定输出电流值的总补偿率测试谐波电流，三相三线制综合补偿器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量见表2-23，三相四线制综合补偿器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量见表2-24，三相三线制滤波器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量见表2-25，三相四线制滤波器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量见表2-26。
表2-23 三相三线制综合补偿器总谐波补偿率测试谐波
注： I h 的取值为补偿设备的额定输出电流值或额定输出电流值的20%，测试谐波电流的总谐波含量应在 I h ±5%范围内。
表2-24 三相四线制综合补偿器总谐波补偿率测试谐波
注： I h 的取值为补偿设备的额定输出电流值或额定输出电流值的20%，测试谐波电流的总谐波含量应在 I h ±5%范围内。
表2-25 三相三线制滤波器总谐波补偿率测试谐波
注： I h 的取值为补偿设备的额定输出电流值或额定输出电流值的20%，测试谐波电流的总谐波含量应在 I h ±5%范围内。
表2-26 三相四线制滤波器总谐波补偿率测试谐波
注： I h 的取值为补偿设备的额定输出电流值或额定输出电流值的20%，测试谐波电流的总谐波含量应在 I h ±5%范围内。
· 测出补偿前电源端总谐波电流 I h o ；
· 将补偿设备投入运行，测出补偿后电源端总谐波电流 I h ；
· 让谐波源装置发出等于20%补偿设备额定输出电流值的总补偿率测试谐波电流，三相三线制综合补偿器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量如表2-22所示，三相四线制综合补偿器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量如表2-23所示，三相三线制滤波器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量如表2-24所示，三相四线制滤波器的总谐波补偿率测试电流的各次谐波含量如表2-25所示，并重复上述试验；
· 按式（2-31）计算得出补偿设备负载100%和负载20%时的总谐波电流补偿率（THC i ）。
针对几家较典型的综合补偿设备进行测试的数据分析，总谐波补偿率如图2-28所示。
图2-28 总谐波补偿率数据分析
（4）动态响应时间测试
动态响应时间是指在电网谐波电流发生阶跃变化时，补偿设备动态响应时间应≤20ms。
动态响应时间测试按以下步骤进行。
· 按图2-25接好试验电路，调节输入电压及频率为额定值；
· 调整谐波源装置，使其输出电流从0补偿额定电流到100%额定电流额定阶跃变化时，使用数字示波器配合电流探头，捕捉装置相线（如A相）电流和补偿设备对应相线电流，记录从整谐波源装置输出测试电流阶跃至100%额定值起，到补偿设备相线电流幅值上升到额定值90%的时间；
· 调整整谐波源装置使补偿设备输出电流达到100%额定值，然后瞬间停止谐波／无功发生装置输出测试电流时，使用数字示波器配合电流探头，捕捉谐波源装置相线（如A相）电流和补偿设备对应相线电流，记录从谐波源装置停止输出起，到补偿设备相线电流幅值下降到初始值10%的时间。
（5）绝缘电阻测试
在常温条件下，用绝缘电阻测试仪直流500V的测试电压，测量补偿设备交流接线端对地的绝缘电阻值。
在相对湿度不大于90%，试验电压为直流500V时，交流电路对地的绝缘电阻均不小于2MΩ。
（6）抗电强度（绝缘强度）
补偿设备应在进行完绝缘电阻试验并符合要求后才能进行绝缘强度的试验。用耐压测试仪对补偿设备交流接线端与地之间施加50Hz，有效值为2000V的正弦交流电压1min或2820V直流电压1min，应无击穿、无飞弧现象。