李克鵬

（河南龍宇能源股份有限公司，河南 商丘476600）

0 引言

功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)，是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失及企業(yè)生產(chǎn)成本。所以，供電部門對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。功率因數(shù)低的根本原因是電感性負(fù)載的存在，電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器、電焊機(jī)等，大多屬于電感性負(fù)荷。因此，在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償設(shè)備后，將有助于提高功率因數(shù)，改善供電質(zhì)量。

1 研究背景及存在問題

機(jī)電制修廠系河南能源集團(tuán)永煤公司下屬地面單位，電力系統(tǒng)經(jīng)由35 k V輔助區(qū)變電站輸出的10 k V線路給廠內(nèi)部各車間、單位供電，廠區(qū)包括10 k V高壓室、1＃箱式變電站、2＃箱式變電站、3＃低壓室等變配電所。10 k V線路下面共帶有7臺(tái)低壓 配 電 變 壓 器 （10 k V／0.4 k V）：400 k VA 容 量 1 臺(tái)、500 k VA容量2臺(tái)、630 k VA容量3臺(tái)、800 k VA容量1臺(tái)，合計(jì)總裝機(jī)容量為4 090 k VA。

目前，該廠月耗電量約為20萬k W·h（無功電量約為14萬kvar·h），平均每月功率因數(shù)約為0.78，較低的功率因數(shù)對(duì)機(jī)修廠供電系統(tǒng)造成以下影響：（1）偏低的功率因數(shù)，造成該廠每月受到供電局1萬元左右的增電費(fèi)罰款；（2）導(dǎo)致變壓器、電機(jī)、電纜等設(shè)備的損耗增大，利用率變低；（3）引起系統(tǒng)電壓下降，影響各種電氣設(shè)備的正常工作；（4）造成變壓器局部嚴(yán)重過熱，損耗增加，輸出減少，縮短使用壽命等問題。

2 高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償介紹

高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，主要用來補(bǔ)償電網(wǎng)中頻繁波動(dòng)的無功功率，抑制電網(wǎng)閃變和諧波，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，改善高壓配電網(wǎng)的供電質(zhì)量和使用效率，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)損耗，有利于延長輸電線路的使用壽命。經(jīng)過分析和論證，采用10 k V高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置可達(dá)到無功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，使功率因數(shù)達(dá)標(biāo)（功率因數(shù)提高到0.95左右），避免供電公司力率電費(fèi)罰款；抑制諧波，提高供電安全性，改善電能質(zhì)量；提高設(shè)備（變壓器、線路）利用率，通過補(bǔ)償無功，使總供電電流下降；有效支撐負(fù)荷端電壓，加強(qiáng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性等目的。

3 10 kV高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償技術(shù)改造的實(shí)施

3.1 整體設(shè)計(jì)

根據(jù)該單位供電系統(tǒng)對(duì)無功補(bǔ)償容量的技術(shù)要求、工程經(jīng)驗(yàn)以及高壓柜控制器顯示相關(guān)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（有功功率約500 k W，無功功率約800 kvar），同時(shí)考慮投資性價(jià)比因素。本研究決定在10 k V母線上安裝一套許繼電氣公司生產(chǎn)的額定容量為1 350 kvar的高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置（TBB）。該裝置每套自動(dòng)補(bǔ)償裝置分為2組投切，每組投切容量分別為450 kvar、900 kvar，這樣便可以產(chǎn)生3級(jí)投切容量，分別為450 kvar、900 kvar、1 350 kvar。并且能根據(jù)負(fù)荷變化的情況，通過一臺(tái)無功補(bǔ)償控制器檢測(cè)電網(wǎng)功率因數(shù)，控制器根據(jù)取樣的電流電壓信號(hào)，給出控制信號(hào)，自動(dòng)投切真空接觸器，將電容組投入或退出運(yùn)行。

3.2 TBBz10－1350（450＋900）AK型高壓動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置構(gòu)成及性能參數(shù)

3.2.1 設(shè)備構(gòu)成

10 k V高壓電容自動(dòng)補(bǔ)償裝置至少由以下主要設(shè)備構(gòu)成：控制器、隔離開關(guān)、三相干式鐵芯串聯(lián)電抗器（6%）、高壓并聯(lián)電容器、電容器保護(hù)專用熔斷器、真空接觸器、氧化鋅避雷器、放電指示燈、放電線圈、鋁母線、柜體及相應(yīng)附件等。

3.2.2 性能參數(shù)

3.2.2.1 電容器

（1）過負(fù)荷能力及放電性能：1）電容器在1.1倍的額定電壓下長期運(yùn)行。2）電容器在1.3倍的額定電流下長期運(yùn)行。3）當(dāng)電容器組斷開電源時(shí)，能將電容器端子上剩余電壓在5～20 s內(nèi)自2倍額定電壓降至0.1倍額定電壓或50 V以下。

（2）電容偏差：1）電容器允許的電容偏差為裝置額定電容的0～＋10%。2）三相電容器的任何兩線路之間，其電容和最大值與最小值之比不超過1.02。3）電容器組各串聯(lián)段的最大與最小電容之比不超過1.02。

3.2.2.2 電抗器

（1）過負(fù)荷能力：1）過電壓。電抗器能在工頻加諧波電壓峰值為 3 槡2 UM下運(yùn)行。2）過電流。電抗器能在工頻電流為1.35倍額定電流的最大工作電流下連續(xù)運(yùn)行。電抗器能在五次諧波電流含量不大于35%，總電流有效值不大于1.2倍額定電流的情況下連續(xù)運(yùn)行。3）鐵芯式電抗器能承受25倍額定電流的最大短時(shí)電流的作用，不產(chǎn)生任何熱損傷。

（2）電抗器允許偏差：1）在工頻額定電流下電抗值數(shù)允許偏差0～＋15%。2）三相電抗器每相電抗值不超過三相平均值的±4%。

（3）電感偏差：在額定電流下，其電抗值的允許偏差為0～＋5%。

（4）聲級(jí)：在額定電流下，三相或單相電抗器的聲級(jí)水平不超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2.3 放電線圈（PT）

（1）在額定頻率和額定電壓下，放電線圈與對(duì)應(yīng)的并聯(lián)電容器相并接，當(dāng)電容器斷電以后，其端子間的電壓在5 s后可由M降至30 V以下。

（2）放電線圈能承受 1 .58 槡2 UM電壓下電容器儲(chǔ)能放電的作用。

（3）準(zhǔn)確級(jí)：在額定頻率0.9～1.3倍額定電壓和0～100%額定二次負(fù)荷（cosφ為0.8滯后）下，0.5級(jí)或1級(jí)產(chǎn)品分別滿足比值差不超過±0.5%或±1%，相位差不超過±20′或±40′。

（4）短路承受能力：在額定電壓下，能承受二次短路電流在1 s時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱和機(jī)械力的作用而無損傷。

3.2.2.4 導(dǎo)體（GB50227—2008）

（1）單臺(tái)電容器至母線或熔斷器的連接線采用軟導(dǎo)線，其長期允許電流不小于單臺(tái)電容器額定電流的1.5倍。

（2）電容器套管相互之間和電容器套管至母線或熔斷器的連接線，有一定的余量選擇。

（3）并聯(lián)電容器裝置的所有連接導(dǎo)體，滿足動(dòng)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定的要求。

3.2.2.5 整機(jī)

（1）絕緣水平：裝置的一次電路的各相之間及相對(duì)地之間，二次電路與地之間能承受相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求耐受電壓；工頻耐受電壓施加時(shí)間為1 min。

（2）耐受短路電流能力：主回路中的電氣設(shè)備、連接線及機(jī)械機(jī)構(gòu)能耐受短路電流和電容器極間短路放電電流的作用而不產(chǎn)生熱和機(jī)械的損傷及明顯的變形；裝置的額定耐受電流值為20 k A。

（3）過負(fù)荷能力：1）穩(wěn)態(tài)過電流。裝置能在方均根值不超過1.1×1.30In的電流下連續(xù)運(yùn)行。該電流是有1.1Un、電容值偏差及高次諧波綜合作用的結(jié)果。2）穩(wěn)態(tài)過電壓。裝置的連續(xù)運(yùn)行電壓為1.05Un，且能在相關(guān)規(guī)定的穩(wěn)態(tài)電壓下運(yùn)行相應(yīng)的時(shí)間。3）涌流。單臺(tái)電容器及保護(hù)用的熔斷器所能承受的涌流分別滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)GB3983.2—89及DL442—91的要求；裝置能將投入電容器組時(shí)產(chǎn)生的涌流限制在電容器組額定電流的20倍以下。

（4）操作過電壓和過電流：用不重?fù)舸┑拈_關(guān)投切電容器時(shí)可能發(fā)生第一個(gè)峰值不大于 2 槡2倍施加電壓，持續(xù)時(shí)間不大于1／2的周波過渡過電壓。響應(yīng)的過渡過電流的峰值達(dá)到100In，在這種情況下每年允許操作1 000次。

（5）耐受短路放電能力：電容器單元能承受在允許的運(yùn)行電壓下由于外部故障引起的短路放電。

（6）局部放電性能：電容器單元的局部放電性能能達(dá)到局部放電試驗(yàn)的要求。

（7）外觀及防腐蝕層：電容器單元的外觀符合產(chǎn)品圖樣的要求。其外露的金屬件有良好的防腐蝕層。

（8）密封性能：電容器單元的密封性能，足以保證在其各個(gè)部分均達(dá)到電介質(zhì)允許最高運(yùn)行溫度后至少經(jīng)歷2 h而不出現(xiàn)滲漏的要求。

3.2.2.6 布置與安裝

（1）裝置的布置與安裝符合GB50227—2008的有關(guān)規(guī)定要求。

（2）裝置滿足平面布置圖要求和各種電氣距離的要求。

3.2.2.7 安全要求

放電線圈直接并接于電容器組的兩端；在出廠前，電容器已全部可靠接地。

3.2.2.8 溫升

母線之間連接處及主電路各連接處的溫升不超過50 K，各電器設(shè)備的溫升不超過各自的規(guī)定。

3.3 設(shè)備主接線圖

設(shè)備主接線圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備主接線圖

該設(shè)備具有動(dòng)態(tài)快速跟隨負(fù)荷變化的特性，能有效提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量、功率因數(shù)并節(jié)約電能，同時(shí)具有極高的可靠性，只需要定期進(jìn)行簡單的常規(guī)檢查即可確保設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行，維護(hù)工作量極小，維護(hù)難度小，維護(hù)成本極低。

4 結(jié)語

通過在該廠10 k V母線上加裝一套TBB型無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置后，功率因數(shù)可達(dá)到0.95左右，經(jīng)測(cè)算每年可節(jié)省電費(fèi)支出約14萬元，可提升主變?cè)O(shè)備利用率33%。同時(shí)，因?yàn)楣β室驍?shù)穩(wěn)定在較高的水平，且電壓也非常穩(wěn)定，諧波量大大減少，三相不平衡也得到了很好的控制。所以，設(shè)備的運(yùn)行效率得到保證，生產(chǎn)時(shí)間也大大縮短。由于不再有諧波的影響，也不再有電壓劇烈變動(dòng)的干擾，供電系統(tǒng)中的其他設(shè)備的工作壽命也會(huì)比原來相應(yīng)地延長。

［1］李世林，左強(qiáng).無功補(bǔ)償裝置標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)［M］.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008