武艾萍

（浙江南都電源動力股份有限公司，浙江 杭州 310000）

1 問題的提出

某鉛酸電池廠主供電源由上級 110 kV 變電站10 kV 母線出兩回專線供電（每回線路總長 7.26 km）。該線路由 JKLYJ-1×240 mm2絕緣電線和ZRYJV-3×400 mm2電纜組合而成。全廠電氣主接線詳見圖 1。廠內主要用電設備有極板車間設備（鉛粉機、鉛鍋等）、活化車間設備（主要為充電機）、裝配車間設備（各種馬達等）、輔助車間設備（空壓機等），總視在負荷為 52 711.95 kW。目前存在的主要問題是當廠內負荷達到 5 000 kW 及以上時，兩回專線電壓降均在 7 % 以上，導致 0.4 kV母線電壓在 360 V 上下波動，影響了部分對電壓敏感的生產設備的正常啟動。

圖1 電氣主接線圖

2 原因分析

針對上述問題，通過實測線路電阻電抗，與地方供電公司多次溝通并結合廠內生產設備和供配電設備實際運行情況總結出了以下幾點原因：

2.1 當?shù)仉娋W(wǎng)結構影響

上級 110 kV 變電站 10 kV 母線（架空線）的電壓水平偏低，導致運行電壓達不到預期的 10.5 kV，平均在 10.2～10.3 kV。晚上 18 點以后 10 kV 母線電壓水平也較低，在 10.25～10.4 kV 之間。按照平均電壓 10.2 kV 計算的兩回線路壓降值如表 1、表 2所示。可以看出，當全廠負荷達到 5 000 kW 以上時，電壓降幅已在 7 % 以上，不符合《電能質量供電電壓偏差》（GB/T 12325—2008）中第 4.2條款的規(guī)定：20 kV 及以下三相供電電壓偏差為標稱電壓的 ± 7 %[1]。

表1 10 kV 三相平衡負荷線路（40 線）電壓降計算表[2]

表2 10 kV 三相平衡負荷線路（50 線）電壓降計算表

2.2 供電半徑和供電電壓等級不滿足規(guī)定要求

《配電網(wǎng)技術導則》（Q/GDW 10370—2016）規(guī)定：電力用戶的供電電壓等級應根據(jù)當?shù)仉娋W(wǎng)條件、電力用戶分級、用電最大需量或受電設備總容量，經過技術經濟比較后確定。一般情況下供電電壓等級可參照表 3 確定[3]。目前，廠內在運行的配電變壓器總容量已達到 19.615 MV·A，根據(jù)表 3 中要求不應該采用 10 kV 電壓等級供電。按照《配電網(wǎng)規(guī)劃設計技術導則》（Q/GDW 1738—2012）關于供電區(qū)域劃分和供電半徑的要求，此工廠屬于 C類供電區(qū)域。原則上 C 類供電區(qū)域的供電半徑不宜超過 5 km[4]，而實際上工廠距上級變電站約 7.26 km，超過了規(guī)定的供電半徑。因此，末端電壓質量肯定會受影響。

表3 電力用戶供電電壓等級的確定

2.3 廠內 10 kV 配電室未配置無功補償裝置

根據(jù)線路參數(shù)測試結果，按以下公式：

計算線路的有功損耗 ΔPL和無功損耗 ΔQL[2]。40線、50 線路的無功損耗偏大，在數(shù)值上大約為有功損耗的 2 倍（見表 4、表 5）。無功損耗偏大會導致功率因數(shù)下降，引起線路有效載荷能力降低，然后無功功率隨之增大。電壓穩(wěn)定與否主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡。無功功率的增大部分若沒有與之匹配的補償裝置進行補償就會造成無功缺額，自然就會引起電壓降低。按照無功就地就近平衡的原則，需要在廠內中心配 10 kV 兩回母線上分別安裝無功補償裝置，但是原設計中并未配置，這也是引起電壓降大的原因之一。

表4 10 kV 三相平衡負荷線路（40 線） 40 線損耗計算表[2]

表5 10 kV 三相平衡負荷線路（50 線） 40 線損耗計算表

2.4 補償效果不佳

根據(jù)全廠 0.4 kV 母線無功補償，現(xiàn)在設備配置情況如下。A3 中心配電室中 5B、6B 停運，而且靜態(tài)補償電容器組未投運。12B、13B 并列運行，且動態(tài)補償電容器組均投入（見圖 2）。A2-1 配電室中 7B、16B 停運，而且 7B、16B 低壓側動態(tài)補償電容器未投運。8B、9B 運行，而且 8B 同時帶7B 低壓側負載，9B 同時帶 16B 低壓側負載。8B動態(tài)補償電容器組投入，且 cosφ= 0.94。9B 動態(tài)補償電容器組投入，且 cosφ= 0.95（見圖 3）。在 A2-2 配電室中 15B 運行，17B 停運，且 15B 同時帶 17B 低壓側負載。15B 低壓側動態(tài)補償電容器組投入，且 cosφ= 0.94。17B 低壓側靜態(tài)補償電容器組均未投入（見圖 4）。A1-1 配電室中 1B運行，2B 停運，且 1B 同時帶 2B 低壓側負載。1B低壓側靜態(tài)補償電容器組投入，且 cosφ= 0.95。2B 低壓側靜態(tài)補償電容器組均未投入（見圖 5）。A1-2 配電室中 10B 停運，11B 運行且同時帶 10B低壓側負載。10B 動態(tài)補償電容器組未投入，但11B 動態(tài)補償電容器組均投入，且 cosφ介于 0.92～0.94 之間。現(xiàn) 4B 停運，3B 運行且同時帶 4B 低壓側負載。4B 靜態(tài)補償電容器組未投入，但 3B 靜態(tài)補償電容器組均投入，cosφ介于 0.91～0.92 之間（見圖 6）。在兩回線路總負荷達 7 000～7 100 kW時，0.4 kV 側無功補償容量剛剛滿足廠內的無功缺額（見表 6）。若負荷進一步增加，無功補償容量有可能欠補償。由于 10 kV 側無無功補償全靠 0.4 kV 側補償設備投入，而 0.4 kV 側補償效果對電壓的抬升作用不明顯，僅在 10 V 以內（抬升電壓與投入容量成正比），所以補償效果不佳也是原因之一。

圖2 A3 中心配電室 0.4 kV 側無功補償設備配置圖

圖3 A2-1 配電室 0.4 kV 側無功補償設備配置圖

圖4 A2-2 配電室 0.4 kV 側無功補償設備配置圖

圖5 A1-1 配電室 0.4 kV 側無功補償設備配置圖

圖6 A1-2 配電室 0.4 kV 側無功補償設備配置圖

2.5 無功缺額大

根據(jù)《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術導則》（DL/T 1773—2017）中“容性無功補償容量可按主變容量的 10 %～30 % 配置，并滿足最大負荷時其高壓側功率因數(shù)不低于 0.95”的要求[2]，結合以上數(shù)據(jù)可以看出，為了維持線路的電壓，無功占比較大。根據(jù)負荷情況由于廠內存在較多數(shù)量的充電機、電動機等感性負載，0.4 kV 側無功需求也較大。從表 6 中數(shù)據(jù)看出，廠內無功需求是比較大的。上級變電站現(xiàn)配置的容性無功容量是 9～12 Mvar，約占主變容量的 13 %。就其本身而言，由于離電源點較近是很難差無功的（現(xiàn)狀是站內無功補償有時都投不上），其輸出的無功功率就有限。因此，在工廠內無功需求大的情況下自然就會存在無功缺額。一旦無功缺額大了，直接影響就是電壓降低。

表6 10 kV 40 線、50 線無功功率及 0.4 kV 側無功補償容量統(tǒng)計表

3 解決措施

（1）對于電網(wǎng)結構影響和供電電壓等級不滿足規(guī)定要求，可以重新選取電源點，在廠內建設更高電壓等級變電站，如 35 kV 變電站、110 kV 變電站。

（2）對于供電半徑過長的問題，如果繼續(xù)采用 10 kV 電壓等級供電，可從就近變電站出 3～5回 10 kV 線路，同時對廠內配電結構進行改造，設置 3～5 個中心配電室以輻射狀供電。

（3）在現(xiàn)有 A3 中心配 10 kV 室內加裝無功補償裝置。

（4）對于 0.4 kV 側無功補償有可能欠補償?shù)膯栴}，由于目前廠內共有 5 臺諧波補償柜（F360-50/250），只投用 3 臺（另 2 臺停用），在充電回路大幅增加的情況下需增加可控硅充電機諧波補償柜容量。按照（4～5）× 360 kvar/臺 2 500 kV·A變壓器配置，才能滿足充電機的無功消耗需求，提高功率因數(shù)至 0.93 及以上。

（5）對于廠內 0.4 kV 側無功補償效果不佳問題，建議從無功補償裝置的維護入手，盡可能地保障設備長期安全連續(xù)運行。比如：夏季時段環(huán)境溫度較高時，由于配電室相對密閉通風較差，在配電室加裝空調或其他散熱設備；由于充電機設備屬于諧波源，如果充電機設備投入數(shù)量增多，根據(jù)諧波電流實測結果當變壓器負荷電流達到 50 % 額定電流及以上時，大量的諧波電流將會注入電抗電容器組，造成電容器的容抗降低，電流增大，引起電容器發(fā)熱、鼓包，甚至燒壞。因此有必要在無功補償裝置前端加裝專用濾波器—有源濾波裝置，以保護電容器組，避免受諧波危害，保證補償效果并延長使用壽命。

4 設計、運維過程中注意事項及相關建議

4.1 設計角度

根據(jù)上述的問題，從設計角度應注意考慮以下方面：

（1）在選擇供電電源時，應按照配電網(wǎng)設計技術導則等規(guī)范規(guī)程選擇就近的（5 km 以內）電源點接入。若采用 10 kV 電壓等級供電線路，末端受電變壓器容量應盡量保證不超過 20 MV·A。對于活化、裝配車間，供電變壓器應考慮滿足并列運行條件。

（2）由于廠內存在大量充放電機、電動機等感性負載，對無功需求比較大，按照無功就地就近平衡的原則[6]，應考慮在廠內 10 kV 配置無功補償設備。在無功補償設備的容量和繼電保護配置設計過程中應及時與供電部門溝通，確保后期無功補償設備投入運行正常。同時與無功補償設備廠家充分溝通，當三相負荷不平衡或者廠內負荷處于低谷時，優(yōu)化設備性能，改進保護配置，從技術上做到防止無功倒送[7]。

（3）針對廠內的可控硅充電機，應考慮配置匹配的適宜容量的諧波補償設備，并充分考慮諧波補償設備和可控硅充放電機電源進線截面的規(guī)格。

（4）考慮在廠內 0.4 kV 母線上原有配置動態(tài)無功補償設備的基礎上增加專用濾波設備[8]，用于保護電容器組免受諧波電流的危害，同時保證補償效果。

4.2 運行維護角度

從廠內供配電設備運行維護角度出發(fā)，提出如下建議：

（1）在做好防止小動物進入的前提下加強配電室通風散熱，適當增加空調、散熱風機等，保證無功補償設備在規(guī)定運行溫度下長期可靠運行。

（2）加強動態(tài)無功補償柜、諧波補償柜等設備的日常巡檢，以便發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。尤其在可控硅充電機全部運行時，必須保證諧波補償柜全部容量的投入。如果發(fā)現(xiàn)個別諧波補償柜沒有投入運行，應檢查控制器、開關設備、電容電抗器組是否有異常，目標功率因數(shù)設置是否過低，然后采取更換元器件或者聯(lián)系設備廠家檢修等措施。