趙建榮，白飛雄，白永明，李專成，樊進(jìn)超，薛小彬

(陜西北元化工集團(tuán)股份有限公司，陜西 榆林 719319)

在氯堿生產(chǎn)中，低壓用電負(fù)荷量的大大提高增加了低壓進(jìn)線斷路器電流，造成功率因數(shù)的大大降低，嚴(yán)重影響了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低了供電質(zhì)量，極大地影響了氯堿企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為此，陜西北元化工集團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱“北元”)化工分公司計(jì)劃針對(duì)提高功率因數(shù)進(jìn)行系列改造，以提高供電質(zhì)量，為公司創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

北元化工分公司電氣系統(tǒng)中0.4 kV配電主回路采用單母分段運(yùn)行方式,變壓器高壓側(cè)斷路器分別接在10 kV母線Ⅰ段和10 kV母線Ⅱ段,變壓器低壓側(cè)斷路器分別接在0.4 kV母線Ⅰ段和0.4 kV母線Ⅱ段,0.4 kV母線Ⅰ段和0.4 kV母線Ⅱ段通過(guò)母聯(lián)連接。北元化工分公司有容量2 500 kV·A的變壓器8臺(tái),容量2 000 kV·A的變壓器20臺(tái),容量1 600 kV·A的變壓器10臺(tái)，容量1 250 kV·A的變壓器6臺(tái)，其中容量1 250 kV·A的變壓器每臺(tái)配備1個(gè)無(wú)功補(bǔ)償配電柜，其余容量的變壓器每臺(tái)配備兩個(gè)無(wú)功補(bǔ)償配電柜。

由于現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備較多，需要的無(wú)功補(bǔ)償量較大，提高無(wú)功補(bǔ)償及供電系統(tǒng)的可靠性，對(duì)于氯堿企業(yè)尤為重要。

1 低壓無(wú)功補(bǔ)償原理

(1)在電力系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)、變壓器、交流接觸器及其他有線圈的電器設(shè)備應(yīng)用較多,此類設(shè)備從配電線路中消耗兩部分電流,其中一部分電流轉(zhuǎn)化為電器設(shè)備有用功,比如電能轉(zhuǎn)化成光能、熱能、動(dòng)能、聲能、機(jī)械能等；另一部分電流轉(zhuǎn)化成不做功的電感電流。這樣，就造成配電線路中的電流額外增大，耗費(fèi)了大量的電能。當(dāng)電感電流為零時(shí)，功率因數(shù)接近1；當(dāng)電感電流逐漸增大時(shí)，功率因數(shù)逐漸下降；當(dāng)功率因數(shù)越低時(shí)，配電線路中額外負(fù)荷越大，電力變壓器及0.4 kV配電母排承擔(dān)負(fù)荷越大，降低了線路及電力設(shè)備的利用率，增大線路的電流損耗、電壓損耗、功率損耗，降低了供電質(zhì)量，造成氯堿企業(yè)重大經(jīng)濟(jì)損失，浪費(fèi)了國(guó)家資源。因此，氯堿企業(yè)應(yīng)該提高功率因數(shù)。提高功率因數(shù)最便捷的方式是并聯(lián)電容器，用產(chǎn)生的電容電流抵消電感電流，將不做功的無(wú)功電流減小到一定范圍內(nèi)[1]。

并聯(lián)電容器補(bǔ)償原理為:由于容性電流iC相位超前90°，可以抵消部分相位滯后于90°的感性電流iL,使電流由i1減小為i2，相位角由φ1減小到φ2，從而使功率因數(shù)從cosφ1提高到cosφ2[2]。

(2)北元化工分公司采用TSC動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。TSC以三相共補(bǔ)形式，用于三相對(duì)稱負(fù)荷、三相無(wú)功功率平衡的場(chǎng)所。該裝置利用晶閘管作為投切開關(guān)，自動(dòng)檢測(cè)一相無(wú)功電流及無(wú)功功率與電網(wǎng)電壓，產(chǎn)生三相共同的控制信號(hào)。由觸發(fā)電路驅(qū)動(dòng)電子開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，統(tǒng)一投入或切除每一相上等值的補(bǔ)償電容器。

2 低壓無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

TCS動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置由隔離開關(guān)、熔斷器、三相串聯(lián)電抗器、自愈式低電壓并聯(lián)電容器、晶閘管、電壓表、電流表、功率因數(shù)表、電流互感器、TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器組成。筆者將在下文重點(diǎn)介紹自愈式低電壓并聯(lián)電容器和三相串聯(lián)電抗器參數(shù)。

采用的自愈式低電壓并聯(lián)電抗器如下：型號(hào)為BSMJ0.44-10-1,額定容量為10 kVar，額定電流為22.7 A;型號(hào)為BSMJ0.44-20-1，額定容量為15 kVar，額定電流為34.1 A；型號(hào)為BSMJ0.44-30-1，額定容量為30 kVar，額定電流為68.2 A。

三相串聯(lián)電抗器采用型號(hào)為：CKSG1.8/0.44-6，額定電壓為26.4 V，額定電流分別為22.73、45.46、68.18 A。

3 低壓無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)原因

(1)北元化工分公司2014開車的C、D兩條線，該生產(chǎn)裝置采用電石干法工藝系統(tǒng)。筆者主要以乙炔分廠變電站4臺(tái)容量2 000 kV·A變壓器所帶低壓無(wú)功補(bǔ)償為例,研究低壓無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)原因。該生產(chǎn)裝置分為4個(gè)生產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)一區(qū)和生產(chǎn)二區(qū)配電負(fù)荷由容量為2 000 kV·A的43#動(dòng)力變和44#動(dòng)力變通過(guò)母聯(lián)聯(lián)絡(luò)柜34供電，生產(chǎn)三區(qū)和生產(chǎn)四區(qū)配電負(fù)荷由容量2 000 kV·A的45#動(dòng)力變和46#動(dòng)力變通過(guò)母聯(lián)聯(lián)絡(luò)柜56供電，一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)、四區(qū)工藝系統(tǒng)相同,所用電負(fù)荷一樣。

用電負(fù)荷主要分為3類：①小功率電動(dòng)機(jī)以其保護(hù)器為保護(hù)裝置的固定負(fù)荷，代表性的有混料斗提機(jī)、干渣斗提機(jī)、洗滌器泵、細(xì)料斗提機(jī)、管道泵、干渣輸送器、注水泵；②以變頻方式啟動(dòng)的調(diào)頻負(fù)荷，代表性的有攪拌電動(dòng)機(jī)、盤式給料機(jī)、進(jìn)料機(jī)、下料器以及細(xì)料下料器；③大功率電動(dòng)機(jī)以軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)的調(diào)頻負(fù)荷，代表性的為破碎機(jī)。由于電石破碎難度系數(shù)大，負(fù)荷不穩(wěn)定，電流變化大，現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常發(fā)生下引線燒斷事故、電動(dòng)機(jī)軸承抱死事故、電動(dòng)機(jī)線圈直接燒毀事故等，直接影響變壓器的負(fù)荷。

2014年剛開車的C、D兩條線，由于設(shè)備和工藝系統(tǒng)處于磨合期,整個(gè)生產(chǎn)裝置不穩(wěn)定,系統(tǒng)流量較低,用電負(fù)荷少,變壓器進(jìn)線斷路器電流最高在260 A運(yùn)行，功率因數(shù)在0.93以上，其中43#、44#、45#、46#變壓器，每臺(tái)分別由2個(gè)無(wú)功補(bǔ)償配電柜給予低壓無(wú)功補(bǔ)償，其中1#低壓無(wú)功補(bǔ)償配電柜由3個(gè)容量為10 kVar的電容、3個(gè)容量為20 kVar的電容和3個(gè)容量為30 kVar的電容以及額定電流分別為22.73、45.46、68.18 A的3個(gè)三相串聯(lián)電抗器組成。另外一個(gè)2#低壓無(wú)功補(bǔ)償配電柜由9個(gè)容量為30 kVar的電容, 額定電流為68.18 A的3個(gè)三相串聯(lián)電抗器組成：額定容量10 kVar電容的補(bǔ)償電流為36.8～37.2 A,額定容量為20 kVar電容的補(bǔ)償電流為56.2～65.9 A,額定容量為30 kVar電容補(bǔ)償電流為104～112 A。2014年典型低壓無(wú)功補(bǔ)償數(shù)據(jù)如下。

TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器數(shù)據(jù)如下：

Uab=402 V，為A、B相電壓；Ubc=406 V，為B、C相電壓；Uca=408 V，為C、A相電壓；Ia=166 A，為A相電流；Ib=176 A，為B相電流；Ic=154 A，為C相電流；P=109 kW，為有功功率；Q=26 kVar，為無(wú)功功率；Pf=0.93，為功率因數(shù)；S=114 kV·A，為視在功率。

無(wú)功補(bǔ)償柜補(bǔ)償電流數(shù)據(jù)：

1#補(bǔ)償柜電流A相為239.4 A，B相為220.2 A，C相為220.1 A；2#補(bǔ)償柜電流A相、B相、C相均為0；進(jìn)線斷路器顯示電流A相為233 A，B相為241 A，C相為218 A。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備經(jīng)過(guò)兩年的磨合時(shí)期，設(shè)備性能大大提高，加之進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)裝置，設(shè)備穩(wěn)定性得到前所未有的提高。北元化工分公司陸續(xù)提高系統(tǒng)流量，改造不科學(xué)、不規(guī)范的生產(chǎn)裝置，相對(duì)應(yīng)的電氣設(shè)備也提高負(fù)荷，其中43#、44#、45#、46#變壓器進(jìn)線斷路器電流由原來(lái)的260 A提高到1 600 A左右，而且保持進(jìn)線斷路器電流基本不變，持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，用電負(fù)荷必須大大提高，從而導(dǎo)致功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)。

功率因數(shù)初始不達(dá)標(biāo)時(shí)，由于操作人員電氣專業(yè)技能差，電氣操作水平低，對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題原因判斷不準(zhǔn)確，盲目認(rèn)為功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)是因?yàn)門WK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器已損壞。在更換無(wú)功補(bǔ)償控制器時(shí)，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償采樣電流二次回路未采取任何措施，造成低壓進(jìn)線斷路器無(wú)功補(bǔ)償電流采樣互感器開路，嚴(yán)重?zé)龤В鈿ぷ冃?。采樣電流互感器燒毀后，功率因?shù)不達(dá)標(biāo)典型數(shù)據(jù)如下。

TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器數(shù)據(jù)：

Uab=391 V，Ubc=391 V，Uca=392 V；

Ia=619 A，Ib=614 A，Ic=613 A；

P=368，Q=209，Pf=0.87，S=412。

進(jìn)線斷路器顯示電流：

A相為233 A，B相為241 A，C相為218 A。

4 低壓無(wú)功補(bǔ)償配電柜改造措施

(1)在更換TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器過(guò)程中，未對(duì)無(wú)功補(bǔ)償采樣電流二次回路采取短路措施，導(dǎo)致采樣電流互感器燒毀，外殼嚴(yán)重變形。針對(duì)此種情況，應(yīng)提高操作人員的電氣操作和理論水平以及實(shí)際操作的綜合能力。更換TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器時(shí)，應(yīng)提前對(duì)無(wú)功補(bǔ)償采樣電流二次回路采取短路措施，對(duì)電流互感器二次回路控制線采用專用的短路連接片或6 m2以上單芯銅導(dǎo)線短接。

在更換完TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器后，拔掉電流互感器二次側(cè)短路連接片或銅導(dǎo)線，恢復(fù)低壓無(wú)功補(bǔ)償柜正常運(yùn)行狀態(tài)。

(2)由于現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷為110 kW軟啟動(dòng)的頻繁啟動(dòng)，功率因數(shù)經(jīng)常不達(dá)標(biāo)，造成TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器投切頻繁及無(wú)功補(bǔ)償控制器里面的電流模塊燒毀，此時(shí)應(yīng)規(guī)范地更換TWK-200動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償控制器。例如，在低壓外進(jìn)線斷路器長(zhǎng)周期大負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，由于夏季變配電室溫度較高，容易造成無(wú)功補(bǔ)償采樣電流互感器線圈燒毀，外殼變形發(fā)黃；又如，由于無(wú)功補(bǔ)償電流采樣時(shí)出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致功率因數(shù)不達(dá)標(biāo)。

上述情況，應(yīng)規(guī)范更換變比為4 000∶1的低壓電流互感器。

(3)以單臺(tái)變壓器作為研究對(duì)象，提高用電負(fù)荷，無(wú)功補(bǔ)償電流也相應(yīng)提高。原電容器的補(bǔ)償電流不能滿足無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊笫窃斐晒β室驍?shù)不達(dá)標(biāo)最重要的原因。此時(shí)，應(yīng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償控制柜的電容器進(jìn)行擴(kuò)容，將功率因數(shù)從cosφ1提高到cosφ2所需的電容電流為：

IC=Ir(tgφ1-tgφ2)。

(1)

式中：Ir為線路上的有功電流，A；φ1為補(bǔ)償前的功率因數(shù)角，；φ2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)角。

不達(dá)標(biāo)無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)為0.83左右，即cosφ1=0.83；根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償最大經(jīng)濟(jì)性的要求及氯堿生產(chǎn)的需求，須將無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)提高到0.96以上，即cosφ2=0.96；根據(jù)長(zhǎng)周期的觀察，線路中最大的有功電流在1 140 A左右，即Ir≈1 140 A。依據(jù)cosφ與tgφ對(duì)應(yīng)值表[2]查得：

cosφ1=0.83，tgφ1=0.672 0；

cosφ2=0.96，tgφ2=0.291 7。

根據(jù)式(1)可計(jì)算所需電容電流：

Ic=Ir(tgφ1-tgφ2)≈1 140×(0.672 0-0.291 7)≈433.5(A)。

根據(jù)對(duì)配電室的長(zhǎng)期觀察,1個(gè)容量為30 kVar的電容，補(bǔ)償電流大約為108 A，單臺(tái)變壓器每相母排應(yīng)增加4個(gè)容量為30 kVar的電容，故單臺(tái)變壓器應(yīng)增加12個(gè)容量為30 kVar的電容，對(duì)應(yīng)增加 4個(gè)額定電流為68.18 A的三相串聯(lián)電抗器、4個(gè)晶閘管，把1#低壓無(wú)功補(bǔ)償配電柜3個(gè)容量為10 kVar的電容和3個(gè)容量為20 kVar的電容拆除，并把對(duì)應(yīng)額定電流分別為22.73、45.46 A的兩個(gè)三相串聯(lián)電抗器拆除。

無(wú)功補(bǔ)償配電柜改造以后，功率因數(shù)大大提高，實(shí)現(xiàn)了節(jié)約能耗、降低成本的目的。目前，北元化工分公司的無(wú)功補(bǔ)償功率因數(shù)基本保持在0.96以上。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的摸索、實(shí)踐，北元化工分公司逐步改造無(wú)功補(bǔ)償柜，大大提高功率因數(shù)，提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運(yùn)行條件，節(jié)約了電能，降低了生產(chǎn)成本，為提高氯堿生產(chǎn)效益創(chuàng)造了條件。