李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南250101）

供用電

高壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的合理選型與應(yīng)用

李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟(jì)南分公司，山東濟(jì)南250101）

通過對(duì)4條供電線路功率因數(shù)偏低的分析，設(shè)計(jì)確定了補(bǔ)償方案，并研究解決了無功補(bǔ)償中的涌流及限制、諧波及防護(hù)、過電壓及保護(hù)等技術(shù)難題，設(shè)備投運(yùn)后4條供電線路的功率因數(shù)均達(dá)到0.95以上，取得了滿意的效果。

功率因數(shù)；負(fù)荷；補(bǔ)償容量;無功補(bǔ)償

1 前言

濟(jì)鋼總廠區(qū)高壓供電系統(tǒng)由8個(gè)總降壓區(qū)域變電站組成，各區(qū)域變電站下設(shè)多個(gè)10 kV/6 kV變電所及多套發(fā)電機(jī)組，主變總裝機(jī)容量96.3萬kVA；有8條110 kV電源進(jìn)線、2條35 kV電源進(jìn)線，分別來自濟(jì)南供電公司220 kV歷城變電站和韓倉變電站。二降壓輔站、七降壓4條供電線路功率因數(shù)＜0.9，嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2 現(xiàn)狀分析

（1）七降壓兩路110 kV電源分別來自歷城變電站、韓倉變電站，分段運(yùn)行；三臺(tái)75 MVA主變壓器，運(yùn)行兩臺(tái)，備用一臺(tái)，供出35 kV、10 kV電源至生產(chǎn)區(qū)域配電室。主要用電負(fù)荷為3200高爐、210 t轉(zhuǎn)爐、4300厚板軋機(jī)等，運(yùn)行負(fù)荷最高12萬kW，平均5萬kW。軋機(jī)、精煉爐等沖擊負(fù)荷集中，運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)較大。4#TRT自35 kV并網(wǎng)運(yùn)行，裝機(jī)容量為2.5萬kW。接線圖如圖1所示。

圖1 七降壓部分系統(tǒng)圖

隨著寬厚板區(qū)域的全面投產(chǎn)，用電負(fù)荷急劇增加，但由于接入電網(wǎng)的用電設(shè)備絕大多數(shù)是電感性負(fù)荷，自然功率因數(shù)低，降低有功功率的輸出，影響變電、輸電的供電能力；降低有功功率的容量；增加電力系統(tǒng)的電能損耗、增加輸電線路的電壓降等。電機(jī)和變壓器中的磁場靠無功電流維持，輸電線中的電感也消耗無功，從而七降壓的歷鋼II線功率因數(shù)過低。

（2）二降壓輔站兩路35 kV電源均來自歷城變電站，分段運(yùn)行；兩臺(tái)3.15萬kVA主變壓器，供出10 kV電源至生產(chǎn)區(qū)域配電室。主要用電負(fù)荷為6#~9#焦?fàn)t、350高爐除塵風(fēng)機(jī)、120 m2燒結(jié)等，運(yùn)行負(fù)荷最高4萬kW，平均3萬kW。150 t干熄焦發(fā)電通過35 kV并網(wǎng)運(yùn)行，裝機(jī)容量2.5萬kW。接線圖如圖2所示。

圖2 二降壓輔站部分系統(tǒng)圖

目前運(yùn)行中的二降壓輔站，在10 kV各段設(shè)立了電容器無功補(bǔ)償裝置（兩套計(jì)八組電容器），但由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長，已部分故障損壞停止運(yùn)行，但都很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換補(bǔ)償功能。

3 方案確定

為了更好的達(dá)到項(xiàng)目的目的，提出了四套設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比對(duì)。

（1）高壓分散補(bǔ)償。高壓分散補(bǔ)償實(shí)際就是在單臺(tái)變壓器高壓側(cè)安裝的，用以改善電源電壓質(zhì)量的無功補(bǔ)償電容器。

（2）高壓集中補(bǔ)償。高壓集中補(bǔ)償是指將電容器裝于變電站或用戶降壓變電站6 kV~10 kV高壓母線的補(bǔ)償方式：電容器也可裝設(shè)于用戶總配電室低壓母線，適用于負(fù)荷較集中、離配電母線較近、補(bǔ)償容量較大的場所。用戶本身又有一定的高壓負(fù)荷時(shí)，可減少對(duì)電力系統(tǒng)無功的消耗并起到一定的補(bǔ)償作用。其優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)行自動(dòng)投切，可合理地提高用戶的功率因數(shù)，利用率高，投資較少，便于維護(hù)，調(diào)節(jié)方便可避免過補(bǔ)，改善電壓質(zhì)量。

（3）低壓分散補(bǔ)償。低壓分散補(bǔ)償就是根據(jù)個(gè)別用電設(shè)備對(duì)無功的需要量將單臺(tái)或多臺(tái)低壓電容器組分散地安裝在用電設(shè)備附近，以補(bǔ)償安裝部位前邊的所有高低壓線路和變壓器的無功功率。其優(yōu)點(diǎn)是用電設(shè)備運(yùn)行時(shí)，無功補(bǔ)償投入，用電設(shè)備停運(yùn)時(shí)，補(bǔ)償設(shè)備也退出?？蓽p少配電網(wǎng)和變壓器中的無功流動(dòng)從而減少有功損耗：可減少線路的導(dǎo)線截面及變壓器的容量，占位小。缺點(diǎn)是控制薄弱，對(duì)上級(jí)總降壓站的補(bǔ)償能力低。

（4）低壓集中補(bǔ)償。低壓集中補(bǔ)償是指將低壓電容器通過低壓開關(guān)接在配電變壓器低壓母線側(cè)，以無功補(bǔ)償投切裝置作為控制保護(hù)裝置，根據(jù)低壓母線上的無功符合而直接控制電容器的投切。低壓補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)：接線簡單、運(yùn)行維護(hù)工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率。降低網(wǎng)損的經(jīng)濟(jì)性高，但難以集中管理，對(duì)上級(jí)總降壓站的補(bǔ)償平衡能力低。

通過四種方案的比較，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施的目的和經(jīng)濟(jì)分析，決定選擇第（2）種方案。

4 補(bǔ)償系統(tǒng)的計(jì)算與設(shè)計(jì)

通過對(duì)當(dāng)前基本技術(shù)指標(biāo)的分析，對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償功率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)補(bǔ)償前后的效益進(jìn)行初步估算，以二降壓輔站10 kVⅡ段為例進(jìn)行分析。

一次配電電壓Un=10 kV

總額定有功功率Pn=30000 kW

設(shè)備平均開動(dòng)率Kx≈70%

4.1 配電變電所計(jì)算負(fù)荷

有功功率：Pj=Kx×Pn=21000 kW

無功功率：Qj=Pj×tg1=18520.26 kvar

4.2 負(fù)荷側(cè)補(bǔ)償容量計(jì)算

按改善功率因數(shù)確定負(fù)荷側(cè)補(bǔ)償容量的方法簡單、明了。其計(jì)算公式如下：

式中，Qcf——從功率因數(shù)cos1補(bǔ)償?shù)絚os2所需無

功功率容量，kvar；

將所有已知參數(shù)代入公式（1），可得負(fù)荷側(cè)補(bǔ)償容量：

Qcf=21000×{[（1/0.892）2-1]1/2-[（1/0.95）2-1] 1/2}＝21000×（0.882-0.484）=43358 kvar

4.3 配電變壓器補(bǔ)償容量計(jì)算

變壓器屬于電力系統(tǒng)感性元件，運(yùn)行時(shí)也要消耗無功功率，而且，越是空載或者輕負(fù)荷時(shí)其功率因數(shù)越低。所以，配電變壓器同樣需要進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償容量可按下式計(jì)算：

由于采用式（2）計(jì)算補(bǔ)償容量，需要知道配電變壓器的具體參數(shù)，計(jì)算起來不是很方便。一般采用按變壓器額定容量的5%～10%經(jīng)驗(yàn)估算法進(jìn)行計(jì)算，而且，由于補(bǔ)償設(shè)備通常采用自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償方式，補(bǔ)償容量一般確定為變壓器額定容量的10%。

設(shè)配電變壓器容量等于計(jì)算視在功率Sj，則：QcT=Sj×10%=48000×10%=4800 kvar

4.4 總補(bǔ)償容量計(jì)算

系統(tǒng)總補(bǔ)償容量等于負(fù)荷補(bǔ)償容量與配變補(bǔ)償容量之和，即：

將計(jì)算結(jié)果代入式（3），得：

Qc=43358+4800=48158 kvar

以上計(jì)算的總補(bǔ)償容量為實(shí)際補(bǔ)償容量，如果考慮抑制諧波所增加的串聯(lián)電抗器，或者提高電容器安全運(yùn)行系數(shù)，電容器的額定電壓勢必提高；所以，補(bǔ)償設(shè)備的安裝容量要大于實(shí)際補(bǔ)償容量。

4.5 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)就是根據(jù)無功電流(或功率)需求，計(jì)算其中基波電流(或功率或電抗)參考值，若裝置的參考輸入為無功電流需求，實(shí)時(shí)測得FC支路的電流有效值，則其支路電流的參考值即為前者減去后者。功率計(jì)算通過數(shù)據(jù)采集板(DAS)、數(shù)據(jù)處理板(DSP)、電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等完成。晶閘管的通過對(duì)電抗器的輸出電流的控制。動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償系統(tǒng)，先采集系統(tǒng)的電壓量、電流量、接觸器位置，計(jì)算出系統(tǒng)的功率因數(shù)。

計(jì)算公式：QC≥P×（tanα1-tanα2）

式中，P——最大負(fù)荷月的平均功率；

補(bǔ)償前的功角α1=arccosα1；

補(bǔ)償后的功角α2=arccosα2。

根據(jù)實(shí)際功率因數(shù)給出控制信號(hào)，通過計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)臒o功量，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置自動(dòng)對(duì)電容器柜進(jìn)行分合，動(dòng)態(tài)滿足無功總量，確保功率因數(shù)始終大于0.95。

通過計(jì)算：分別對(duì)二降壓輔站I、II段10 kV母線各加裝一套5 Mvar無功補(bǔ)償裝置，按照2.5 Mvar+1.5 Mvar+1 Mvar三級(jí)自動(dòng)投切控制；七降壓10 kVI段、II段母線，分別配置10 Mvar無功補(bǔ)償裝置各一套，按3 Mvar+3 Mvar+2 Mvar+2 Mvar四級(jí)自動(dòng)投切控制，10 kV系統(tǒng)III段，配置9 Mvar無功補(bǔ)償裝置一套，按3 Mvar+2 Mvar+2 Mvar+2 Mvar四級(jí)自動(dòng)投切控制。

改造后，4條供電線路功率因數(shù)確保平均≥0.94。

圖3 無功補(bǔ)償一次系統(tǒng)圖

5 技術(shù)難點(diǎn)

5.1 無功補(bǔ)償中的涌流及限制

運(yùn)行中為了適應(yīng)電力系統(tǒng)無功功率和電壓變化而需要頻繁地操作電容器組，當(dāng)電容器組投入電網(wǎng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生幅值很大和頻率較高的沖擊合閘涌流。涌流的持續(xù)時(shí)間一般小于10 ms。一般變電站單組電容器組合閘涌流低于10倍，最高可達(dá)20多倍，頻率約為250~4000 Hz。大涌流會(huì)使開關(guān)觸頭熔化并燒損，當(dāng)涌流超過開關(guān)的最大開合電流時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生過大的電動(dòng)力和內(nèi)部壓力而使開關(guān)損壞;高頻涌流超過電容器所允許的涌流極限時(shí)，將加速絕緣老化或游離放電，還會(huì)使電流互感器一、二次繞組產(chǎn)生過電壓而擊穿絕緣。為了限制涌流，采取在電容器回路中加串聯(lián)電抗器或開關(guān)加裝并聯(lián)電阻的措施。選用電抗值在0.1%~1%內(nèi)的小電抗器。

5.2 諧波及防護(hù)措施

電網(wǎng)中有電壓和電流兩種高次諧波源。電壓諧波主要是來自發(fā)電機(jī)的非正弦電壓波形，電流諧波主要來自電路中的非線性阻抗元件，如鐵芯飽和的主變壓器、整流設(shè)備、可控硅和電弧爐等非線性元件引起的電流畸變，相應(yīng)地產(chǎn)生電壓畸變。諧波的防護(hù)措施主要有：

（1）將發(fā)生諧波的設(shè)備接到短路容量大的電網(wǎng)，以減少對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的影響；

（2）整流裝置采用多相整流，減少諧波分量；（3）加裝交流濾波器；

（4）在電容器回路中，加裝串聯(lián)電抗器，使電容回路對(duì)諧波頻率阻抗呈感性，從而抑制諧波分量。在為限制合閘涌流和抑制高次諧波的情況下，抑制5次波為主時(shí)，選擇6%的電抗器;抑制3次諧波為主時(shí)，選擇12%的電抗器。

5.3 過電壓及保護(hù)措施

電容器的允許過電壓和保護(hù)措施是電容器輸出的無功功率和其有功損耗的與運(yùn)行電壓的平方成正比。當(dāng)電壓超過允許值時(shí)，將使電容器過負(fù)荷發(fā)熱而影響其壽命。電容器允許在1.1倍額定電壓下連續(xù)運(yùn)行。在電容器組設(shè)計(jì)安裝中，應(yīng)裝設(shè)過電壓繼電保護(hù)，將運(yùn)行電壓限制在1.1倍額定電壓以下。

充分發(fā)揮并聯(lián)補(bǔ)償裝置的調(diào)壓作用，電容器組就必須隨著電壓及負(fù)荷的變動(dòng)進(jìn)行頻繁投切，在開斷容性負(fù)荷時(shí)，由于電容器極板上仍殘留電荷，開關(guān)觸頭有可能承受2倍的額定電壓峰值過電壓，當(dāng)開關(guān)觸頭弧隙絕緣恢復(fù)的速度低于恢復(fù)電壓增長的速度時(shí)，則開關(guān)弧隙將被擊穿而發(fā)生重燃，從而產(chǎn)生較高的過電壓。重燃過電壓及其防護(hù)措施有：采用開斷電容電流性能良好，具有不重燃特性的高壓開關(guān)；采用無火花間隙的氧化鋅避雷器。

6 應(yīng)用效果

2013年3月底投運(yùn)以來，4~6月份二降壓輔站歷鐵I線、歷鐵II線，七降壓歷鋼II線、韓鋼III線四條進(jìn)線功率因數(shù)均提高至0.95以上，獲濟(jì)南市供電公司功率因數(shù)獎(jiǎng)勵(lì)252萬元，平均84萬元/月。

Rational Selection and App lication of High Voltage W attless Automatic Com pensation Device

LI Zhaohua
(JinanBranchofShandongIronandSteelCo.,Ltd.,Jinan25010,China)

Through analysis of low power factors of 4 power supply lines the compensation design was determined and technical problems such as surging and limitation,harmonic and protection and over-voltage and protection in wattless power compensation were studied and solved.After the device was put into operation,power factors in the 4 lines have reached 0.95 or more,bringing satisfactory results.

power factor;load;compensation capacity;wattless power compensation

TM 714.3

B

1006-6764(2014)02-0001-03

2013－11－05

李兆華（1966－），女，1987年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)電機(jī)專業(yè)，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事能源開發(fā)應(yīng)用及設(shè)備管理工作。