謝彩霞

（上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北武漢 430070）

用系統(tǒng)設(shè)計的方法進行高壓無功補償裝置的設(shè)計

謝彩霞

（上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北武漢 430070）

由于采用傳統(tǒng)方法設(shè)計的無功補償裝置存在著不足，經(jīng)常出現(xiàn)燒毀電容器或電抗器的事故，為了克服這些不足，提出了一種基于系統(tǒng)設(shè)計的方法進行無功補償?shù)脑O(shè)計。通過詳細的理論推導(dǎo)以及這兩種設(shè)計方法在具體工程中的應(yīng)用對比分析和專用工程軟件計算機仿真，仿真結(jié)果和前后諧波改善效果對比表明采用系統(tǒng)設(shè)計的方法能有效避免裝置發(fā)生諧振而燒毀器件的危險現(xiàn)象。

無功補償裝置；電抗率；系統(tǒng)阻抗；串聯(lián)諧振

1 無功補償裝置傳統(tǒng)設(shè)計方法

在工廠6～10 kV高壓配電系統(tǒng)中，大量采用串電抗器的高壓無功補償。設(shè)備運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)燒電容器或電抗器的事故，究其原因是電抗器電抗率的選擇與電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)不匹配?，F(xiàn)從系統(tǒng)設(shè)計的角度來分析無功補償裝置設(shè)計應(yīng)注意的問題。

傳統(tǒng)無功補償及無源濾波裝置通常由濾波電容器、串聯(lián)電抗器適當組合而成，其與電網(wǎng)中諧波源并聯(lián)，對系統(tǒng)進行無功補償兼濾波。在實際工程應(yīng)用中，設(shè)計院一般只給出需要的補償容量，而設(shè)備成套廠家往往簡單地根據(jù)設(shè)計院給出的補償容量，選擇額定容量與該補償容量值相同的濾波電容器組，串聯(lián)電抗器一般選擇電抗率為12%、6%、4.5%中的一種，組成等容或不等容的無功補償支路。該方法實施簡單易行，但設(shè)計比較粗糙，某些具體的工業(yè)應(yīng)用場合設(shè)備運行效果不好，還有可能與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振出現(xiàn)燒毀電容器或電抗器的事故。

2 基于系統(tǒng)設(shè)計思想設(shè)計無功補償裝置

電力系統(tǒng)中的諧波源可等效為電流源，其主要特征是外阻抗變化時電流不變，當電力系統(tǒng)有諧波源時無功補償裝置的簡化電路如圖1所示[1]。

圖1 電力系統(tǒng)簡化電路圖

設(shè)濾波電容器組額定容量為QC,與之對應(yīng)的串聯(lián)電抗器額定容量為QL，電抗器電抗率為K。串聯(lián)電抗器額定容量等于電容器的額定容量乘以電抗率（單相和三相均可按此簡便計算）[2]。

式中，I1為該無功補償支路上的基波電流，XL1為電抗器基波電抗，XC1為電容器基波電抗。

圖2 諧波電流等效電路模型

由圖2中諧波電流等效電路模型可以得出流入系統(tǒng)諧波電流、電容器中吸收的諧波電流以及并聯(lián)諧波阻抗分別如下：

式中，n——諧波次數(shù)；

In——諧波源的n次諧波電流；

Isn——流入電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波電流，

ICn——流入電容器中的諧波電流；

XS——系統(tǒng)等效基波短路阻抗。

當電網(wǎng)中有諧波電流源時，由式（4）可以整理得到諧波電流放大率為：

式中，s=XS/XC1=QC1/Sd，Sd為無功補償裝置接入電網(wǎng)處母線的短路容量；

QC1——無功補償裝置基波有效容量。

在不考慮系統(tǒng)阻抗影響的情況下，該無功補償通道上并聯(lián)電容器與串聯(lián)電抗器組成串聯(lián)諧振電路，當滿足式（5）的分子為零時就能濾去特定次數(shù)的諧波，即可以得到如下的表達式[3]：

式（9）中n即為發(fā)生串聯(lián)諧振的特定諧波次數(shù)。當電抗器電抗率K分別取12%，6%，4.5%時，則發(fā)生串聯(lián)諧振的諧波次數(shù)n分別為2.89，4.08，4.71。

由以上分析可以看出，傳統(tǒng)無功補償裝置實質(zhì)上還是濾波器（不同的電抗率器對應(yīng)不同的濾波器調(diào)諧頻率），濾波器的設(shè)計必須考慮系統(tǒng)阻抗；如果不考慮系統(tǒng)阻抗的影響，當同時投入多組無功補償裝置時，在某種運行情況下，可能使2、3、4次諧波中的某一次諧波嚴重放大，威脅到無功補償裝置設(shè)備和電網(wǎng)的安全。

3 工程應(yīng)用分析

3.1 具體工程應(yīng)用背景

某鋼廠新建煉鋼連鑄35/10 kV開關(guān)站一座，其10 kV開關(guān)站為單母線分兩段主接線，即 I、II段母線。I，II段母線最大短路容量為：190 MVA（阻抗標幺值 0.52848，0.5826 Ω），最小短路容量為 152 MVA（阻抗標幺值0.657，0.7243 Ω）。

煉鋼連鑄35/10 kV開關(guān)站10 kV系統(tǒng)負荷中連鑄及轉(zhuǎn)爐車間有部分整流變壓器，會產(chǎn)生少量的高次諧波電流，由該工程相關(guān)資料，并考慮背景諧波得出系統(tǒng)主要諧波源如表1所示?？梢钥闯龈鞔沃C波電流均在國家諧波標準限值內(nèi)[4]，不需要設(shè)計專門濾波器，只需要安裝無功補償裝置。根據(jù)負荷計算，其10 kV開關(guān)站I、II段母線上需要分別新增3組10 kV，3600 kvar無功補償裝置，提高10 kV母線功率因數(shù)，從而滿足正常生產(chǎn)用電要求。

表1 系統(tǒng)主要次數(shù)諧波電流

3.2 傳統(tǒng)設(shè)計方法具體應(yīng)用

以I段母線為例，在該段母線上裝設(shè)3組10 kV，3600 kvar無功補償裝置，以下是按傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的無功補償裝置參數(shù)，如表2所示。

表2 傳統(tǒng)方法設(shè)計的無功補償裝置參數(shù)表

從表2可以看出I段母線上的3組無功補償裝置安裝容量均為3600 kvar，滿足設(shè)計要求，但每組無功補償裝置均選用電抗率為6%串聯(lián)電抗器。

而在通過專用工程軟件下通過計算機仿真，可以得到無功補償裝置在最小工作方式和最大工作方式這兩種工作方式下的運行狀況，如圖2所示。其中圖2中曲線代表系統(tǒng)與無功補償裝置的綜合阻抗曲線，直線代表系統(tǒng)阻抗曲線。由圖2中仿真結(jié)果顯示，當3組串聯(lián)電抗器電抗率均選為6%且3組都投入時，在最小或最大系統(tǒng)工作方式下均會發(fā)生無功補償裝置與系統(tǒng)并聯(lián)諧振的現(xiàn)象，且諧振頻率發(fā)生在150 Hz附近，引起3次諧波嚴重放大。這樣可能會燒毀裝置設(shè)備，甚至危及電網(wǎng)運行安全，因此這種情況必須加以避免。

圖2 傳統(tǒng)方法設(shè)計的無功補償裝置的運行狀況

3.3 系統(tǒng)設(shè)計方法具體應(yīng)用

仍然以I段母線為例，在該段母線上裝設(shè)3組（套）10 kV，3600 kvar無功補償裝置，以下是采用系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的無功補償裝置參數(shù)，見表3。

表3 采用系統(tǒng)方法設(shè)計的無功補償裝置參數(shù)表

由表3可知，為滿足設(shè)計要求和更好做前后對比分析，I段母線上的3組無功補償裝置（C1/C2/C3）安裝容量仍然均為3600 kvar，但每組無功補償裝置不再均選用電抗率為6%串聯(lián)電抗器，而是無功補償裝置C1選用電抗率為12%的串抗(相當于H3濾波器)，C2選用電抗率為6%的串抗(相當于H4濾波器)，C3選用電抗率為4.5%的串抗 (相當于H5濾波器)。雖然無功補償裝置C1選擇電抗率為12%的串抗，相比傳統(tǒng)設(shè)計C1選擇電抗率為6%的串抗，成本要高一些,但是無功補償裝置C3選擇的串抗電抗率為4.5%卻要比6%的串抗便宜一些，這樣計算下來裝置總的成本相差不是很大。同時，從圖3的仿真結(jié)果明顯可以看出，基于系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的無功補償裝置在系統(tǒng)最小運行方式及系統(tǒng)最大運行方式下均不會發(fā)生并聯(lián)諧振現(xiàn)象。

3.4 兩種設(shè)計方法諧波改善效果對比分析

圖3 基于系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的無功補償裝置的運行狀況

為進一步對比分析基于兩種設(shè)計方法設(shè)計出的裝置的運行效果，通過專用工程軟件進行計算機仿真，得到投入裝置前后在最小工作方式和最大工作方式這兩種工作方式下系統(tǒng)諧波電流改善效果對照表，分別如表4、5所示。

表4 傳統(tǒng)方法設(shè)計的裝置投入前后諧波改善效果對照表

從表4、5可以明顯看出，當采用傳統(tǒng)設(shè)計方法的無功補償裝置投入后，導(dǎo)致系統(tǒng)3次諧波電流嚴重放大，在最小工作方式和最大工作方式這兩種工作方式下3次諧波電流分別放大6.57倍和10.35倍，而采用系統(tǒng)方法設(shè)計的裝置投入后在兩種工作方式下3次諧波電流都沒放大，避免了并聯(lián)諧振現(xiàn)象的發(fā)生。因此采用系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計的無功補償裝置能根據(jù)系統(tǒng)具體情況設(shè)計適應(yīng)的方案，因而更加安全可靠，效果更好。

4 結(jié)論

采用基于系統(tǒng)設(shè)計的思想來設(shè)計無功補償裝置，即將無功補償裝置的設(shè)計與電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合起來，綜合考慮系統(tǒng)阻抗的影響，使電抗器電抗率的選擇與電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)匹配，從而避免上述危險現(xiàn)象的發(fā)生，降低風(fēng)險成本。

表5 基于系統(tǒng)方法設(shè)計的裝置投入前后諧波改善效果對照

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功功率補償[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2]陳佰勝.串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用及電抗率的選擇[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(12)：92-95.

[3]鞠非.無功補償電容器串聯(lián)電抗器的選擇[J].電力電容器，2006，6(6)：4-7.

[4]GB／T14549—1993，電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].

表1 方案優(yōu)缺點對比

4.2 方案實施

（1）切除SVG后，電網(wǎng)質(zhì)量未有明顯變化，但是功率因數(shù)下降，且整流單元跳閘的現(xiàn)象還是有發(fā)生。因此此方案放棄。

（2）調(diào)整傳動系統(tǒng)參數(shù)，將閾值放大，整流單元跳閘現(xiàn)象依然有發(fā)生。因此此方案放棄。

（3）將目前使用的數(shù)字量控制的TCB板全部更換為模擬量控制TCB板。

（4）目前低壓進線電壓較高，設(shè)備未運行時低壓進線電壓達到744 V左右（要求為660～690 V± 10%），分廠可將變壓器二次側(cè)降低一檔后投入使用。

方案（3）、（4）實施后，系統(tǒng)再未出現(xiàn)類似故障。整流單元頻繁跳閘故障得以解決。

5 結(jié)論

影響整流單元跳閘的因素錯綜復(fù)雜，因此通過對故障現(xiàn)象的分析結(jié)合魚骨圖分析法，從人、機、料、法、環(huán)5個方面對可能造成故障的原因進行了詳細分析，并針對結(jié)果進行分析驗證，確認了最終的故障原因，并針對故障原因制定了解決措施，最終解決了大棒分廠S120變頻器整流單元頻繁跳閘的故障。

收稿日期：2015－03－20

作者簡介：施洪亮（1970－），男，1993年畢業(yè)于河海大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事冶金企業(yè)電氣自動化管理工作。

Using System Design Method to Design High-voltage Var Compensation Device

XIE Caixia
（Wuhan Branch of Shanghai Hoto Engineering Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei 430070,China）

Var compensation device designed with traditional methods has shortcomings often causing accidents of burning the capacitor or reactor.To overcome these problems,a design of var compensation device based on system design method was put forward.Through detailed theoretical analysis,comparative analysis of applications of the two design methods in actual projects,simulation with special engineering software and comparison of the simulation results with improved performance of harmonics,it was revealed that using the system design method could effectively avoid the occurrence of resonance and the risks of burning elements.

var compensation device;reactance ratio;system impedance;series resonance

TM714.3

B

1006-6764(2015)06-0004-04

2014－04－10

謝彩霞（1976－），女，2000年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)計算機應(yīng)用專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)從事電氣工程設(shè)計工作。