丁維星　白國偉　王　寬

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高壓無功自動補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計與應(yīng)用

丁維星白國偉王寬

山東方大工程有限責(zé)任公司

丁維星（1973-）男，山東黃島人，工程師，二級建造師， 設(shè)備管理師，現(xiàn)任山東方大工程有限責(zé)任公司設(shè)備科科長，長期從事機(jī)電技術(shù)工作。

行業(yè)曲線

本文針對高壓供電系統(tǒng)中無功自動補(bǔ)償系統(tǒng)，提出高壓電容自動投切及諧波治理的觀點。在電力行業(yè)起到先進(jìn)理念的帶動作用。

如付諸現(xiàn)實將產(chǎn)生200萬元/年的經(jīng)濟(jì)效益。

本文介紹了供電系統(tǒng)中高壓無功自動補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計及在本公司的應(yīng)用

現(xiàn)場情況描述：山東方大工程有限責(zé)任公司屬于6kV系統(tǒng)供電，自然功率因數(shù)在0.8左右，當(dāng)負(fù)荷運行，正常生產(chǎn)時，功率因數(shù)僅為0.5～0.6左右。主要負(fù)荷有兩臺1000kVA的變壓器（變壓器后端負(fù)荷主要為交流異步電動機(jī)）、兩臺630kVA的變壓器。兩臺1000kVA的變壓器主要為型鋼車間供電，一臺630kVA變壓器為廠用電，另一臺630kVA變壓器主要為辦公、宿舍供暖用。

以上設(shè)備，除供暖用變壓器低壓側(cè)安裝補(bǔ)償設(shè)備外，其余均未安裝補(bǔ)償設(shè)備。大量非線性負(fù)荷的應(yīng)用，使電網(wǎng)的功率因數(shù)低，線路損耗增加，諧波含量大，危害電力系統(tǒng)的安全運行和工廠電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運行。

為解決以上問題，擬在企業(yè)地上變電所6kV母線上裝設(shè)濾波補(bǔ)償成套裝置，以起到濾除諧波，提高系統(tǒng)功率因數(shù)、改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定電網(wǎng)以及節(jié)能降耗、降低運行成本、提高生產(chǎn)效率等目的。

裝置要求

本工程6kV無功自動濾波補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償容量為4000kvar， 分4組， 分 別 為800kvar、800kvar、1200kvar、1200kvar，不等容投切。電容組需充分考慮抑制系統(tǒng)諧波，提高系統(tǒng)電壓、使功率因數(shù)滿足0.95以上。裝置采用標(biāo)準(zhǔn)化柜體結(jié)構(gòu)，每組均配控制開關(guān)、放電線圈、濾波電抗器、濾波電容器、高壓噴逐式熔斷器、避雷器、電流互感器、電壓無功控制器、電容器組微機(jī)保護(hù)單元、柜內(nèi)照明、高壓帶電顯示器等，柜內(nèi)懸空式母排走線。每組是獨立的一套單元，可以獨立的進(jìn)行投切控制和保護(hù)。

功能范圍

1.功能概述

本裝置以母線電壓、功率因數(shù)和無功功率為主要判斷依據(jù)，在遵循“保證電壓合格，盡量減少調(diào)節(jié)次數(shù)”的前提下，根據(jù)優(yōu)化的“十二區(qū)圖模糊控制原理” 對變壓器有載調(diào)壓分接頭的自動調(diào)節(jié)和對6kV母線上的并聯(lián)電容器組的自動跟蹤投切（對于不等容電容器組，根據(jù)線路無功缺額的大小，選擇最佳的電容器組合以減少電容器投切次數(shù)及提高電容器補(bǔ)償精度），來實現(xiàn)對變電站母線電壓和無功的綜合控制，從而有效的減少功率損耗，提高電網(wǎng)功率因數(shù)和電網(wǎng)電壓質(zhì)量。

2.基本功能

控制智能化。本裝置可自動適應(yīng)變電站的各種運行方式，包括單臺變壓器運行、兩臺變壓器運行的各種運行模式。

運行方式靈活。本控制器具有調(diào)壓自動補(bǔ)償自動、調(diào)壓手動補(bǔ)償自動和調(diào)壓自動補(bǔ)償手動等多種運行方式，且1、2變調(diào)壓和1、2段補(bǔ)償可分別進(jìn)行手動自動設(shè)置。

可分別控制兩臺主變的1～19檔有載調(diào)壓和1～4組電容器不等容投切。

過電壓保護(hù)、低電壓保護(hù)、電容柜總開關(guān)斷開保護(hù)功能，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓或低電壓，以及電容總柜斷開時控制器自動切除所有電容組，且閉鎖調(diào)壓和補(bǔ)償動作。

本裝置具有自動檢測單組電容投切控制機(jī)構(gòu)拒動故障的功能，當(dāng)出現(xiàn)該故障時控制器發(fā)出報警，且閉鎖該組電容投切。

調(diào)壓機(jī)構(gòu)拒動、連調(diào)故障檢測功能，當(dāng)出現(xiàn)該故障時，裝置發(fā)出調(diào)壓急停命令，且閉鎖調(diào)壓功能。

本裝置采用大屏幕液晶顯示器，全中文菜單顯示。用戶可方便的查看控制器采集的模擬量、開關(guān)量、報警信息及運行參數(shù)等。

密碼保護(hù)功能。控制器所有運行參數(shù)包括定值、通訊參數(shù)，均設(shè)有密碼保護(hù)。只有輸入正確的密碼方可進(jìn)入修改狀態(tài)，且密碼可由用戶自行設(shè)定。

四遙功能。本控制器具有RS485通訊接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的《CDT通訊規(guī)約》，可實現(xiàn)遙測、遙信信息上傳，遙控投切電容組和遙控調(diào)壓。

每組電容均配有開口三角電壓保護(hù)，一段過流保護(hù)，二段過流保護(hù)，任一組電容發(fā)生故障時保護(hù)動作切除相應(yīng)的電容組，其它電容組仍能正常運行不受影響。

自診斷與自恢復(fù)功能

開機(jī)后，軟件自動檢查主要硬件電路。

設(shè)有WATChDOG（看門狗）電路，可保證本系統(tǒng)在死機(jī)后能自行復(fù)位，重新啟動運行。

裝置可對控制對象進(jìn)行手動控制操作，且自動和手動操作互為閉鎖。

預(yù)留RS-485或RS-232通訊接口，可與變電站綜合自動化聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)無人值守。

設(shè)備規(guī)范及結(jié)構(gòu)

名稱：6kV無功自動補(bǔ)償裝置

型號：VQC2-7.2/4000-4N

額定頻率：50Hz

額定電壓：7.2kV

補(bǔ)償容量：4000kvar

單組補(bǔ)償容量：800kvar、800kvar、1200kvar、1200kvar

投切組數(shù)：4

接線形式：星形

補(bǔ)償方式：無功自動跟蹤補(bǔ)償

投切方式：尋優(yōu)投切

二次控制系統(tǒng)工作電源

額定電壓：AC/DC220V。

允許偏差-20%～+20%。

紋波系數(shù)小于5%。

額定功耗：≤550W。

出廠試驗按有關(guān)規(guī)程測出實際值。

控制器的技術(shù)參數(shù)及性能要求

型號：VQC200B

工作電源

額定直流電源輸入：220VAC/DC

電壓模擬量輸入：0～120V

電流模擬量輸入：0.1～5A

功率消耗：＜20W

額定輸入電壓：交流100V（分別取自母線上TV的二次）

額定輸入電流：交流5A（取自母線TA）

模擬量輸入

交流模擬量電壓50～120V（從TV二次側(cè)來）

交流模擬量電流0～5.5A（從TA二次側(cè)來）

通迅接口為RS485，可采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)。

遙測

直接測量：Ⅰ段Ub、Uc、Ia；Ⅱ段Ub、Uc、Ia；

間接測量：Ⅰ段Ia、Ubc、Q、Cos；Ⅱ段Ia、Ubc、Q、Cos。

遙控

12路完成遙控，遙控合、遙控分，出口繼電器接點最大導(dǎo)通電流為5A。

性能要求

測量精度

電壓測量誤差：≤0.5%

電流測量誤差：≤0.5%

無功測量誤差：≤2.0%

延時：延時時間10～60min可調(diào)，誤差應(yīng)大于+5%。

控制裝置平均無故障工作時間MTBF（下限值）30000h。

抗干擾性能：能承受頻率為1MHz及100Hz電壓幅值共模2500V，差模1000V的衰減震蕩波脈沖干擾試驗，能承受嚴(yán)酷等組為Ⅰ級的震動響應(yīng)，沖擊響應(yīng)試驗。

電容器組微機(jī)保護(hù)單元的主要技術(shù)參數(shù)及性能要求

型號：SKPC100

工作電源

額定電壓 AC/DC220V

允許偏差 -20%～+20%

紋波系數(shù)小于5%

額定輸入電壓：交流100V（取自電容器組TV的二次側(cè)）

額定輸入電流：交流10A（取自電容器組TA的二次側(cè)）

保護(hù)功能

一段過流保護(hù)

二段過流保護(hù)

開口三角電壓保護(hù)

任一組電容發(fā)生故障時微機(jī)保護(hù)動作切除該電容組，使該組電容投入動作被閉鎖，其它電容組仍能正常運行不受影響。

電容器主要技術(shù)參數(shù)及性能要求

額定電壓：6.6/√3kV

額定容量：267kvar、400kvar

電容允許偏差：0%- + 10%

介質(zhì)結(jié)構(gòu)：全膜介質(zhì)結(jié)構(gòu)，二芳基乙烷浸漬

介質(zhì)損耗角正切值：≤0.05%（20℃時）

極間耐壓：交流電壓2.15倍的額定電壓10s

直流電壓4.30倍的額定電壓10s

電容器的工頻穩(wěn)態(tài)過電壓和相應(yīng)的運行時間

1.10 UN 長期

1.15 UN 30min/d

1.20 UN 5min/d

1.30 UN 2min/d

電容器承受的過電壓和相應(yīng)的持續(xù)時間

3.0 UN 0.01s

2.0 UN 0.3s

1.7 UN 1s

1.3 UN 1min

1.15 UN 30min穩(wěn)態(tài)過電流

電容器能在1.3倍的額定電流下持續(xù)運行，對于具有最大正偏差的電容器能在1.43倍的額定電流下持續(xù)運行。

電容器能承受100倍額定電流的涌流沖擊，每年這樣的涌流不超過1000次，其中若干次是在內(nèi)部溫度低于0℃，但不低于下限溫度時發(fā)生的。

其他技術(shù)要求

裝置的實際電容與其額定電容偏差應(yīng)在電容的±5%。裝置的主電路相間以及相與地之間應(yīng)能承受短時（1min）工頻耐受電壓15kV。

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

裝置的連續(xù)運行電壓為1.00Un，且能在如下表所規(guī)定的穩(wěn)態(tài)過電壓運行相應(yīng)的時間。

工頻電壓　最大持續(xù)時間　說 明1.10Un　長 期　指長期過電壓最高值不超過1.10Un 1.15Un　每24h中30min　系統(tǒng)電壓的調(diào)整與波動1.20Un　5 min　輕負(fù)載時電壓升高1.30Un　1 min

裝置能在方均根值不超過1.3倍電容器組額定電流的過電流下連續(xù)運行。

裝置配置濾波電抗器，用以限制電容器組投入運行瞬間產(chǎn)生的涌流和抑制高次諧波。

依據(jù)系統(tǒng)實時無功及母線電壓來選擇電容器容量進(jìn)行投切實現(xiàn)有載自動補(bǔ)償。

裝置配有DXN-10/Q型高壓帶電顯示器和電磁門鎖，具有強(qiáng)制閉鎖功能，防止誤開柜體門，以確保人員及設(shè)備安全；并設(shè)有柜內(nèi)照明燈，可隨時監(jiān)測設(shè)備運行情況。

裝置進(jìn)線及柜內(nèi)主母線采用LMY-50*5母排，各電容組分支母排采用LMY-30*3鋁母排，全部母排分相套色差熱縮管。

另根據(jù)現(xiàn)場情況需配置一塊KYN28-7.2高壓配電柜，型材車間高壓盤計量技術(shù)改造。

圖1為我公司無功補(bǔ)償一次系統(tǒng)圖。

圖1

表1

無功補(bǔ)償效益分析

1.補(bǔ)償負(fù)荷情況、補(bǔ)償容量及補(bǔ)償后的功率因數(shù)

山東方大工程有限責(zé)任公司屬于6kV系統(tǒng)供電，自然功率因數(shù)在0.8左右，當(dāng)負(fù)荷運行，正常生產(chǎn)時，功率因數(shù)僅為0.52。主要負(fù)荷有兩臺1000kVA的變壓器（變壓器后端負(fù)荷主要為交流異步電動機(jī)）、兩臺630kVA的變壓器。兩臺1000kVA的變壓器主要為型鋼車間供電，一臺630kVA變壓器為廠用電，另一臺630kVA變壓器主要為辦公、宿舍供暖用。以上設(shè)備，除供暖用變壓器低壓側(cè)安裝補(bǔ)償設(shè)備外，其余均未安裝補(bǔ)償設(shè)備。大量非線性負(fù)荷的應(yīng)用，使電網(wǎng)的功率因數(shù)低，線路損耗增加，諧波含量大，危害電力系統(tǒng)的安全運行和工廠電氣設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運行。

本設(shè)計考慮在變電所6kV母線上裝設(shè)濾波補(bǔ)償成套裝置，以起到濾除諧波，提高系統(tǒng)功率因數(shù)、改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定電網(wǎng)以及節(jié)能降耗、降低運行成本、提高生產(chǎn)效率等目的。根據(jù)現(xiàn)場負(fù)荷情況，現(xiàn)本工程設(shè)計6kV無功自動補(bǔ)償裝置1套，補(bǔ)償容量為2550kvar，分4組，容量分別為150kvar、400kvar、800kvar、1200kvar，使負(fù)荷小時，小容量的電容組可投入，實現(xiàn)不同容量的組合，以滿足系統(tǒng)無功需求，補(bǔ)償后無力率電費，功率因數(shù)達(dá)0.95以上。

2.治理諧波、提高功率因數(shù)的意義

1）提高用電質(zhì)量，減少電力線路的電壓損失，改善設(shè)備運行條件，可保證設(shè)備在正常條件下工作，使電器設(shè)備壽命延長、生產(chǎn)穩(wěn)定、質(zhì)量提升、降低能耗、不會產(chǎn)生諧波導(dǎo)致開關(guān)誤動作、這就有利于安全生產(chǎn)。

2）可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費開支。例如當(dāng)cosφ=0.5時的損耗是cosφ=1時的4倍。

3）由于減少了電網(wǎng)無功功率的輸入，降低系統(tǒng)的能耗，從而能提高企業(yè)用電設(shè)備的利用率，進(jìn)一步充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力，給用電企業(yè)帶來效益。

4）可減少線路的功率損失及輸送同容量有功的電流，提高電網(wǎng)輸電效率。

5）因發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量的限定，故提高cosφ也就使發(fā)電機(jī)能多出有功功率，即減少有功損失，又使線路及變電設(shè)備的容量降低。

3.補(bǔ)償后的力率電費調(diào)整

對于山東方大工程有限責(zé)任公司的考核功率因數(shù)以0.52計，表1為功率因數(shù)調(diào)整電費表。

由表1可知，山東方大工程有限責(zé)任公司原功率因數(shù)為0.52，需要增收的電費為總額度的41%，加裝無功補(bǔ)償后功率因數(shù)提高至0.95時，其電費可少交電費總額的0.75%。

山東方大工程有限責(zé)任公司，按全年最大用電量2000000kWh計算，電量價格取0.92元，設(shè)一年供電8760h（365*24），補(bǔ)償裝置一年運行時間為3000h，則：

功率因數(shù)不滿足供電部門要求時一年需要增收的電費：

2000000*0.92*41%=75.44萬元

功率因數(shù)達(dá)到0.95時可以減收的電費：

2000000*0.92*0.75%=1.38萬元。

一年減少的電費支出為75.44+1.38=76.82萬

加裝無功補(bǔ)償提高功率因數(shù)可降低線路的有功損失及無功損失，其計算公式為：

ΔF=（Kj--tgδ）Qb*t*β

式中Qb——電容器補(bǔ)償容量（kvar）；

Kj——無功功率節(jié)約當(dāng)量（Kw/kvar）；

tgδ——電容器的介質(zhì)損失角的正切值。

本線路無功當(dāng)量Kj取0.1，tgδ=0.0005，山東方大工程有限責(zé)任公司電容器補(bǔ)償容量為2550kvar，電容器年運行時間取3000h，電量價格β取0.92元。則加裝無功補(bǔ)償后一年減少的電費支出為：

△F=（0.1-0.0005）*2550*3000*0.92=70.0281萬元

結(jié)語

無功補(bǔ)償項目年增加供電效益明顯，另從提高了設(shè)備的利用率、節(jié)約電網(wǎng)建設(shè)投資和改善電壓質(zhì)量、降低勞動強(qiáng)度等各方面考慮，有效地減少了檢修次數(shù)降低了勞動強(qiáng)度，大大提高了供電可靠性，增加了供電能力，保證了供電質(zhì)量，能收到較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.022