馬壽文，陳慶波

(云南天安化工有限公司安全環(huán)保部，云南 安寧 650309)

近年來，國家持續(xù)提倡節(jié)能降耗、環(huán)保低碳、綠色發(fā)展的理念，企業(yè)也認(rèn)識到節(jié)能降耗、降本增效對于企業(yè)長期發(fā)展的重要性。在電力系統(tǒng)中，無功補償?shù)闹匾约捌浣鉀Q問題的現(xiàn)實性已得到了廣泛的重視和認(rèn)可。選擇合理、合適的無功補償，是提高電力能源利用率和企業(yè)發(fā)展降本增效的重要舉措。無功功率補償技術(shù)之所以得到廣泛的使用，主要是因為該技術(shù)能夠使配電系統(tǒng)在運行過程中提高電能在生產(chǎn)中的利用率，有效的降低電能的耗損量，提高電能質(zhì)量，為設(shè)備提供相對穩(wěn)定的運行環(huán)境，提升設(shè)備運行率，進(jìn)而實現(xiàn)了節(jié)能、降耗、增效的目的。本文就公司一期年產(chǎn)60萬t/a磷酸二銨生產(chǎn)裝置低壓配電系統(tǒng)無功功率補償技術(shù)改造，改造后給公司帶來的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行詳細(xì)論述，說明無功功率補償在低壓供配電系統(tǒng)中的重要性和給企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益。

1 低壓供配電系統(tǒng)無功補償

1.1 現(xiàn)狀

公司磷酸二銨裝置低壓配電室低壓無功補償電容器組已投用多年，原采用的無功補償方式為機械式投入和切除電容器，主要包括功率因數(shù)控制器、專用電容器投切接觸器、干式自愈型電容器和熔斷器等。一次回路接線圖如圖1所示。

由于部分電容器損壞、系統(tǒng)負(fù)荷增加、線路發(fā)熱嚴(yán)重和柜內(nèi)保險座發(fā)生短路事故等多方面因素，致使裝置低壓配電系統(tǒng)無功補償柜長期“帶病”運行，導(dǎo)致整個系統(tǒng)功率因數(shù)較低(低壓一段：0.81，低壓二段：0.93)、無功功率損耗大、電壓波動大、設(shè)備運行率低等問題。

1.2 存在問題

低功率因素下運行的供電系統(tǒng)負(fù)荷增加導(dǎo)至變壓器長期處于高溫運行，容易造成母線、分支母線等各連接部件發(fā)熱和降低設(shè)備的使用壽命，分析得出：

1)由于設(shè)計上的不足，采用的無功補償方式為機械式投切電容器，控制原件及電容器的頻繁投切，電容器、投切接觸器和熔斷器損壞頻繁，增加了功率補償柜維護(hù)費用和維護(hù)工作量。

2)在補償后功率因數(shù)達(dá)不到無功補償?shù)囊蟆?/p>

3)運行中期滿負(fù)荷運行，加之環(huán)境溫度的影響，電容器、接觸器的發(fā)熱情況，導(dǎo)致柜內(nèi)內(nèi)溫度高。

4)熔斷器上端投切時，易發(fā)生短路故障，導(dǎo)致無功補償達(dá)不到預(yù)期效果。

5)配電系統(tǒng)諧波電流偏高、電容器間無替換長時間運行，柜體散熱不良等。

進(jìn)一步來說，供電系統(tǒng)長期低功率運行，加大了供配電設(shè)備的負(fù)荷，而且造成生產(chǎn)用電量增大，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，不利于公司的發(fā)展。

1.3 原因分析

經(jīng)過對上述測試結(jié)果的分析及無功補償設(shè)備日常維護(hù)過程中的故障總結(jié)，導(dǎo)致該無功補償設(shè)備故障主要原因有以下幾個方面：

1)由于技術(shù)改造設(shè)備增加，部分生產(chǎn)設(shè)備擴容，新加變頻器、軟啟動器等，現(xiàn)有的無功補償柜容量已經(jīng)超出設(shè)計要求，滿負(fù)荷狀態(tài)下低壓一段即使全部投用功率因素也無法達(dá)到0.95以上的目標(biāo)功率因數(shù)。功率因數(shù)低，浪費能源、增加能耗，不符合經(jīng)濟(jì)效益和國家提倡的“節(jié)能減排”要求。

2)低壓配電系統(tǒng)使用的無功功率補償柜采用的是RT36型，保險座間無電氣隔離和滅弧部分，在電容器投切過程中會因涌流、諧波電流發(fā)生保險座間短路現(xiàn)象，存在嚴(yán)重的安全隱患。

3)近年來生產(chǎn)裝置技術(shù)改造，用電端設(shè)備增加，致使系統(tǒng)諧波電流增大，導(dǎo)致電容器及柜內(nèi)元器件的損壞頻次增多，維護(hù)成本增加

4)低壓電容器投切元件為交流接觸器，投入或切除時會產(chǎn)生一個過渡過程。電容器是電壓不能瞬變的元器件，并聯(lián)電容器由交流接觸器投切電網(wǎng)時，由于相位點的隨機性，所以會產(chǎn)生幅值很大、頻率很高的浪涌電流。不僅對電網(wǎng)產(chǎn)生不利的干擾，而且對交流接觸器觸頭位置產(chǎn)生電弧損傷，導(dǎo)致接觸面接觸不良，甚至出現(xiàn)相間短路。頻繁出現(xiàn)涌流、過電壓會加速減少電容器的使用壽命，甚至造成電容器鼓包爆炸，引發(fā)生產(chǎn)設(shè)備事故。

2 無功補償方式的選擇

從理論上講，理想的無功補償方式是哪里需要就在哪里補償，但在實際的生產(chǎn)中是無法實現(xiàn)的。

目前，我公司低壓配電系統(tǒng)均采用在配電變壓器低壓側(cè)配電屏安裝并聯(lián)補償電容器的方式來補償[3](如圖2)。結(jié)合實際，磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)的無功補償采用的是配電變壓器低壓側(cè)配電屏安裝并聯(lián)補償電容器來集中補償。這種無功補償方式是在配電變壓器的低壓側(cè)利用無功功率自動補償控制器，隨著負(fù)荷的變化，根據(jù)測得的功率因數(shù)自動地投入或切除電容器的部分或全部容量來進(jìn)行無功補償，并由控制器強制循環(huán)每組電容器的投切，以避免單組或幾組電容器長時間運行，從而延長電容器的使用壽命。

圖2 并聯(lián)補償電容器組合接線方式

3 技術(shù)改造要求

電容器可能使電網(wǎng)中的諧波電流放大，有時甚至在電網(wǎng)中產(chǎn)生諧振，使電器設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p壞[3]。

對配電系統(tǒng)來說，抑制諧波是很必要的。對于并聯(lián)電容器組，抑制諧波的方法主要是使用串聯(lián)電抗器。相當(dāng)于在電容前串聯(lián)一個電抗，使得補償回路的阻抗在某次諧波相對于感性負(fù)載來說成感性，從而消除由于電路容性帶來的諧波震蕩。

除此之外，電容器柜內(nèi)溫度也要盡量控制在一定范圍內(nèi)(<60 ℃)，需設(shè)計安裝通風(fēng)裝置[4]。同時，需考慮失壓過壓保護(hù)，裝置在斷電后又繼續(xù)通電防止自動投入和裝置電壓超過一定值時自動切除電容器組以滿足保護(hù)電容器的目的。在考慮以上問題的基礎(chǔ)上，在改造方案中作出了具體的技術(shù)要求：

1)鑒于磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)已無法增加柜體，改造均在原無功補償柜上進(jìn)行，并保留原熔斷式隔離開關(guān)。

2)為有效消除諧波電流，以避免諧波電流注入補償柜電容器導(dǎo)致的再次放大，影響補償裝置元件正常運行安全和壽命。所以改造應(yīng)在電容補償裝置的基礎(chǔ)上增加消諧電抗器進(jìn)行濾波。根據(jù)測試情況，5次、7次諧波電流超標(biāo)，采用6%電抗率的濾波電抗器進(jìn)行濾波。

3)由于無功功率較大，負(fù)荷存在波動，采用自動補償方式，進(jìn)行實時跟蹤自動補償，控制器更換為ABB公司生產(chǎn)的RVT-12功率因數(shù)控制器，有功率因數(shù)、無功功率進(jìn)行快速動態(tài)跟蹤，邏輯判斷，進(jìn)行控制。

4)原切換電容用接觸器在投切過程中會產(chǎn)生電容器額定電流6～20倍的涌流，存在安全隱患，故本次改造將原接觸器更換為電容器投切用同步開關(guān)。電容器選用干式自愈式電力電容器進(jìn)行無功補償。

5)原RT36型保險座無電氣隔離和滅弧部分，改為隔離一體式快速熔斷器進(jìn)行短路保護(hù)和回路隔離。

6)變壓器配電系統(tǒng)容量S=2000 kVA

取補償前功率因數(shù)cosΦ=0.79～0.8補償后功率因數(shù)cosΦ=0.95。

計算需要補償無功容量為：

功率P按目前實際運行電流 1400 A 時功率為 800 kW。考慮 2000 kVA 的變壓器可能系統(tǒng)負(fù)荷會增加容量，計算功率P按 1000 kW 來計算。

Q1=420 kVar

另外，還需考慮到留有一定的補償容量。作為補償裝置，在循環(huán)投切時，電容器可以有兩組電容循環(huán)處于休息狀態(tài)，以達(dá)到增加電容器的使用壽命，故每段補償容量為 480 kVar。

7)為確保良好的散熱，在原無功補償柜后柜門開孔兩個，并安裝散熱風(fēng)扇輔助散熱。

4 技改效果

磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無功率補償前部分運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無功率補償前部分運行數(shù)據(jù)

磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無功率補償后部分運行數(shù)，見表2。

表2 磷酸二銨低壓配電系統(tǒng)無功率補償后部分運行數(shù)

磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)無功功率補償改造材料清單見表3。

表3 一期磷酸二銨裝置低壓配電系統(tǒng)無功功率補償改造材料

5 產(chǎn)生效益及投資回收期

1)經(jīng)過改造后，按每段負(fù)荷電流 980 A，功率因數(shù)由0.87提高到0.95后每段負(fù)荷電流降低 270 A 左右，電流下降了18%左右，變壓器的損耗可降低33%。初步測算，安裝后裝置每年可節(jié)省電費20余萬元。

2)改造后，無功功率補償柜將增加設(shè)備運行的穩(wěn)定性，減少設(shè)備維護(hù)費用，避免因投切方式存在的問題，導(dǎo)致的設(shè)備損壞，減少裝置的非計劃停車。

3)減小系統(tǒng)諧波電流含量，降低諧波對設(shè)備的嚴(yán)重影響和干擾，提高設(shè)備壽命，減少設(shè)備故障率。