王 崢， 王浩然， 錢 龍， 江 峰

(中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的高速發(fā)展和電力負(fù)荷的高速增長(zhǎng)，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也在不斷提高，電力生產(chǎn)與供應(yīng)比以往任何時(shí)候都重視電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，而其系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)性和電能質(zhì)量與無(wú)功功率有著十分重要的關(guān)系。無(wú)功補(bǔ)償是電力系統(tǒng)中必不可少的功率，電網(wǎng)中的無(wú)功功率損耗和大量的感性負(fù)荷，要求系統(tǒng)能提供充足的無(wú)功補(bǔ)償功率，否則會(huì)致使電力系統(tǒng)中電壓下降，影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)，無(wú)功功率分配的不合理也可能造成線路損耗的增加，降低電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，增加運(yùn)行成本。

1 工程概述

本工程位于廣西省某港口的煤炭碼頭項(xiàng)目，港區(qū)內(nèi)設(shè)有6/0.4kV變電所3座，箱式變電站2座，其中，1#變電所為整個(gè)港區(qū)中心變電所，負(fù)責(zé)為2#、3#變電所提供雙路6kV電源，并為1#、2#箱式變電站提供單路6kV電源。各變電所及箱變均設(shè)在靠近自管供電區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷中心位置(詳見圖1)。

圖1 供電關(guān)系圖

2 無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x

無(wú)功功率補(bǔ)償，簡(jiǎn)稱無(wú)功補(bǔ)償，指提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，從而降低變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，最終改善供電環(huán)境。優(yōu)化合理的選擇補(bǔ)償裝置，可以在一定程度上減少電網(wǎng)的損耗，提高用電質(zhì)量[1]。反之，如果選擇或使用不當(dāng)，可能造成供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)、諧波大等現(xiàn)象，從而影響電力系統(tǒng)供電效率。

電力系統(tǒng)中的電力負(fù)荷，如變壓器和異步電動(dòng)機(jī)等電磁器件類設(shè)備，大部分都屬于感性負(fù)載，在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)消耗大量無(wú)功功率，這部分無(wú)功功率直接從電網(wǎng)獲取，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中供電變壓器有功輸出能力下降、母線電壓波動(dòng)且有效值降低、線路損耗增大等一系列問題。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以后，可提升變壓器的帶載能力，穩(wěn)定變壓器輸出電壓，保證系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)標(biāo)；提高系統(tǒng)功率因數(shù)和供電質(zhì)量，減少功率損耗；穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)電壓，保證用電設(shè)備的正常運(yùn)行和使用。

本文重點(diǎn)介紹高壓側(cè)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x，由于本工程是煤炭碼頭港口項(xiàng)目，有很多的6kV高壓柜直接配電的大型皮帶機(jī)等高壓用電設(shè)備，所以在1#、3#兩個(gè)變電所內(nèi)設(shè)置了高壓補(bǔ)償柜和高壓電容器間，對(duì)其變電所內(nèi)部的高壓系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，而2#變電所沒有6kV高壓用電設(shè)備，因此無(wú)需設(shè)置。

3 TSC+HVC無(wú)功補(bǔ)償原理

高壓無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置是采用晶閘管組成閥組柜投切電容器組(TSC)結(jié)合真空接觸器投切電容器組(HVC)，可根據(jù)電力系統(tǒng)無(wú)功功率大小和功率因數(shù)要求設(shè)置自動(dòng)投切與調(diào)節(jié)，不需要人工干預(yù)?？稍O(shè)手動(dòng)和自動(dòng)檔位，在補(bǔ)償容量范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)功率因數(shù)>0.9，以達(dá)到較好的補(bǔ)償效果。

用戶負(fù)荷在從電網(wǎng)獲取電能的同時(shí)，附帶產(chǎn)生大量的無(wú)功功率。電力系統(tǒng)多為阻感負(fù)荷，其無(wú)功功率為感性無(wú)功。感性無(wú)功的存在，將使總功率增大，總電流增加，線路、變壓器的損耗及變壓器壓降增大，同時(shí)降低變壓器及線路的使用效率。

為解決上述問題，無(wú)功功率補(bǔ)償理論應(yīng)運(yùn)而生。它是利用電容和電感在同一電壓下，電流矢量方向相反，而減少流經(jīng)線路及變壓器的總電流，解決感性無(wú)功引起的一系列問題。

高壓動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置由光纖觸發(fā)系統(tǒng)、電容器、電抗器、可控硅閥控制系統(tǒng)、保護(hù)元件等單元組合而成，可實(shí)現(xiàn)電流過零切除、電壓過零導(dǎo)通，電容投切過程中無(wú)涌流沖擊、電壓閃變、操作過電壓、電弧重燃等現(xiàn)象，能在30ms內(nèi)快速跟蹤系統(tǒng)無(wú)功變化進(jìn)行頻繁投切。

高壓TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置具有節(jié)省電能、降低網(wǎng)損、提高供電質(zhì)量等顯著特點(diǎn)，由測(cè)量系統(tǒng)、控制模塊、投切模塊、電容器組及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等單元組成。TSC電容器組由晶閘管投切，當(dāng)負(fù)荷變化較快時(shí)，晶閘管會(huì)快速反應(yīng)，根據(jù)負(fù)荷的變化實(shí)時(shí)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償；HVC電容器組由真空接觸器投切電容器組，主要用來補(bǔ)償系統(tǒng)較穩(wěn)定、變化不頻繁的基本負(fù)荷；當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，由晶閘管快速反應(yīng)；對(duì)于穩(wěn)定的負(fù)荷，HVC自動(dòng)跟蹤。在對(duì)負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^程中，晶閘管與接觸器組合投切電容器組，既能保證補(bǔ)償精度，又可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)快速跟蹤補(bǔ)償[2](如圖2所示)。

圖2 補(bǔ)償裝置基本原理等效電路圖

4 高壓無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)配置

本工程高壓補(bǔ)償采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞剑谧冸娝鶅?nèi)單獨(dú)設(shè)置高壓補(bǔ)償電容器間。其中1#變電所內(nèi)設(shè)置2套高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置，每套補(bǔ)償容量為900kvar；3#變電所內(nèi)設(shè)置2套高壓無(wú)功補(bǔ)償裝置,每套補(bǔ)償容量為500kvar。

分組要求：(1)TSC -6/900(300+600)kvar單套總?cè)萘繛?00kvar，分2組：300kvar、600kvar。每套設(shè)備由2面電容柜和1面控制柜組成，可實(shí)現(xiàn)3級(jí)投切，具體容量分為：300kvar、600kvar、900 kvar三檔。1#變電所高壓電容補(bǔ)償系統(tǒng)圖見圖3。(2) TSC -6/500(150+350)kvar單套總?cè)萘繛?00kvar，分2組：150、350kvar。每套設(shè)備由2面電容柜和1面控制柜組成，可實(shí)現(xiàn)3級(jí)投切，具體容量分為：150、350、500 kvar三檔。3#變電所高壓電容補(bǔ)償系統(tǒng)圖見圖4。以上補(bǔ)償能實(shí)現(xiàn)細(xì)調(diào)，提高補(bǔ)償精度，達(dá)到良好的補(bǔ)償效果。

圖3 1#變電所高壓電容補(bǔ)償柜系統(tǒng)圖

圖4 3#變電所高壓電容補(bǔ)償柜系統(tǒng)圖

5 補(bǔ)償裝置分組及投切條件

本工程的無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置采用全智能控制檢測(cè)系統(tǒng)的無(wú)功功率和功率因數(shù)，微機(jī)監(jiān)測(cè)，控制準(zhǔn)確。TSC+HVC型補(bǔ)償裝置，是由一個(gè)高壓控制單元和若干組投切電容單元組合而成，而投切電容單元由電容單元和投切單元組合而成。成套設(shè)備便于擴(kuò)展，組合靈活多變。

高壓控制單元由隔離接地開關(guān)、電流互感器、功率因數(shù)控制器及相應(yīng)的主回路及控制回路組成。每套設(shè)備配備一個(gè)高壓控制單元，在裝置中起到檢測(cè)、保護(hù)、自診斷及各投切單元控制的作用。電容單元由電容器、串聯(lián)電抗器及放電線圈等主回路器件，以及其獨(dú)立的保護(hù)和手動(dòng)操作回路組成。

投切單元在成套設(shè)備中投切電容器組，對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。TSC型補(bǔ)償裝置中的投切單元是晶閘管閥組，由晶閘管組成的單相晶閘管閥及其檢測(cè)、控制、觸發(fā)、自診斷等回路組成；TSC+HVC 型補(bǔ)償裝置中投切單元由晶閘管閥組和真空接觸器兩種組成。

(1)裝置分組

無(wú)功補(bǔ)償裝置的裝機(jī)容量包含500kvar 2套，900kvar 2套。

裝置分組：500kvar:150TSC+350HVC；900kvar:300TSC+600HVC。

裝置投切級(jí)數(shù)500kvar裝置的投切容量分別為150kvar、350kvar、500kvar，共3級(jí)投切。

900kvar裝置的投切容量分別為300kvar、600kvar、900kvar，共3級(jí)投切。

(2)裝置投切條件

現(xiàn)定義系統(tǒng)無(wú)功功率為QS(kvar)，針對(duì)500kvar、900kvar補(bǔ)償裝置的投切情況分別如表1～2所示。

針對(duì)于500kvar補(bǔ)償裝置 表1

針對(duì)于900kvar補(bǔ)償裝置 表2

裝置的投切是基于功率因數(shù)和無(wú)功功率雙參數(shù)控制，控制柜內(nèi)控制器根據(jù)采集的進(jìn)線柜內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行電流等參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得出結(jié)果后通過PLC分析投切電容器組。依據(jù)控制器和PLC的組合，完成TSC組頻繁投切，HVC組不頻繁投切的控制原則。

6 采用高壓補(bǔ)償配置的優(yōu)點(diǎn)

(1)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)可以提高電網(wǎng)和用電設(shè)備的功率因數(shù)，是節(jié)電工作的一項(xiàng)重要措施。需滿足電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?，消除因功率因?shù)過低而產(chǎn)生的弊病和罰款。

(2)減少電能損失。提高功率因數(shù)可以改善供電質(zhì)量，減少負(fù)載總電流及電壓降，減少用戶電費(fèi)支出，是一項(xiàng)投資少、收效快的節(jié)能措施。

(3)延長(zhǎng)設(shè)備壽命，改善功率因數(shù)后線路總電流減少，使接近飽和的變壓器、開關(guān)等機(jī)器設(shè)備和線路容量的負(fù)載率下降，因此可以降低設(shè)備溫升和延長(zhǎng)使用壽命(溫度每降低10℃，壽命可延長(zhǎng)1倍)[3]。

7 結(jié)束語(yǔ)