無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

王曉梅 王賢民

（1.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥 230051；2.南京工程學(xué)院，南京 211157）

無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

王曉梅1王賢民2

（1.合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，合肥 230051；2.南京工程學(xué)院，南京 211157）

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)用電企業(yè)提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量十分重要。本文對(duì)無(wú)功補(bǔ)償方法與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并通過(guò)實(shí)際案例介紹了無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)方法與注意事項(xiàng)，無(wú)疑將對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用起到推動(dòng)作用。

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)；電網(wǎng)；設(shè)計(jì)；裝置

1 引言

無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)于提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和挖掘電網(wǎng)的潛力是十分必要的，是用電企業(yè)節(jié)能降耗有效措施之一。其主要作用包括提高負(fù)載和系統(tǒng)的功率因數(shù)、減少設(shè)備容量和功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量，提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力，平衡三相負(fù)載的功率等。因此，無(wú)功功率補(bǔ)償已成為保證電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的重要手段之一，是水泥廠電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中研究的一個(gè)重大課題，。也是在配電網(wǎng)改造中推廣無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的一個(gè)值得關(guān)注的實(shí)際課題。

2 電網(wǎng)中的無(wú)功損耗

電力系統(tǒng)由輸配電線路、升降壓變壓器、配電變壓器、用戶電力負(fù)荷等各個(gè)功能環(huán)節(jié)所組成。電能在電壓的作用下，以電流的形式在電力系統(tǒng)的各個(gè)功能環(huán)節(jié)中流動(dòng)，為用戶提供期望的能量，同時(shí)也存在著不可忽視的能量損耗。特別是系統(tǒng)中無(wú)功功率負(fù)荷和無(wú)功功率網(wǎng)損，在電網(wǎng)中幾乎無(wú)處不在，不但造成大量能源的浪費(fèi)，同時(shí)也嚴(yán)重地影響了電能的質(zhì)量。

2.1 用戶端的無(wú)功損耗

用戶端的用電設(shè)備，基本上以感性負(fù)荷為主，其無(wú)功損耗主要由勵(lì)磁損耗和漏磁損耗所構(gòu)成，其功率因數(shù)約為0.6～0.9之間。 由此可推出，用戶端負(fù)荷的功率因數(shù)角約在53°～26°之間，根據(jù)功率三角形，功率因數(shù)角的正切值 tgφ≈1.33～0.49，也就是說(shuō)，用戶端的無(wú)功功率需求是有功功率需求的0.49～1.33倍?？梢?jiàn)，用戶端無(wú)功負(fù)荷之大，是不可忽視的，即：用戶側(cè)是無(wú)功功率的最大需求側(cè)。

2.2 變壓器的無(wú)功損耗

變壓器的無(wú)功損耗同樣由勵(lì)磁損耗和漏磁損耗構(gòu)成，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，可分為空載和負(fù)載兩種狀態(tài)。變壓器空載無(wú)功損耗≈3%；有（滿）載運(yùn)行時(shí)，變壓器的無(wú)功損耗＝變壓器空載無(wú)功損耗（約3%Sn）＋漏磁無(wú)功損耗增量（約 3%）＋向用戶端輸出的無(wú)功功率。如果從電源到用戶需要經(jīng)過(guò)好幾級(jí)變壓，則變壓器的無(wú)功損耗就是一個(gè)很大的數(shù)字。

2.3 輸配電線路的無(wú)功損耗

電力線路上的無(wú)功損耗，主要體現(xiàn)在串聯(lián)電抗上的感性無(wú)功損耗和并聯(lián)電納上的容性充電損耗。線路電抗上的感性無(wú)功損耗與電流的平方成正比、與電壓的平方成反比：

可見(jiàn)，負(fù)荷功率（有功＋無(wú)功）越大，線路上的無(wú)功損耗越大；線路電壓越低，無(wú)功損耗越大。由上述分析可見(jiàn)：無(wú)功功率是由負(fù)荷性質(zhì)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)決定的，是不可消除的。 無(wú)功功率產(chǎn)生了無(wú)功損耗，使發(fā)、變、配電設(shè)備有效利用率降低，網(wǎng)損增大，電能質(zhì)量下降，能源浪費(fèi)嚴(yán)重，供用電成本增高。

3 無(wú)功補(bǔ)償方法

（1）區(qū)域性中心變電站，無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)平緩，其35kV及以上電壓等級(jí)，可采用固定補(bǔ)償（FC）方式，對(duì)下級(jí)電網(wǎng)漏補(bǔ)的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。其補(bǔ)償容量為系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)無(wú)功需量。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、造價(jià)低廉、運(yùn)行安全。

（2）臨近負(fù)荷中心的中小型變電站和企業(yè)變電站，無(wú)功負(fù)荷波動(dòng)較大，宜在10（6）kV母線上配置母線集中自動(dòng)補(bǔ)償（MSC），用于補(bǔ)償大負(fù)荷時(shí)段低壓側(cè)漏補(bǔ)的無(wú)功功率，和各個(gè)配電變壓器的空載無(wú)功損耗。其補(bǔ)償容量依據(jù)低壓側(cè)補(bǔ)償狀態(tài)和目標(biāo)功率因數(shù)，通過(guò)計(jì)算確定。其特點(diǎn)為補(bǔ)償裝置隨系統(tǒng)無(wú)功功率的波動(dòng)自動(dòng)調(diào)整（分組投切或改變電容器端電壓）補(bǔ)償電容器的容量，減少了欠補(bǔ)和過(guò)補(bǔ)的現(xiàn)象，使無(wú)功就地平衡的效果明顯。

（3）對(duì)0.4kV低壓母線集中自動(dòng)補(bǔ)償（MSC、TSC），用于對(duì)低壓負(fù)荷無(wú)功功率進(jìn)行直接補(bǔ)償。其補(bǔ)償容量按自然功率因數(shù)和目標(biāo)功率因數(shù)計(jì)算得出，其電容器分組（含分相和共補(bǔ)）按無(wú)功負(fù)荷曲線或經(jīng)驗(yàn)值確定。其特點(diǎn)是就近提供無(wú)功，對(duì)降低網(wǎng)損效果特別明顯。

（4）大功率高低壓電動(dòng)機(jī)隨機(jī)固定補(bǔ)償（FC），用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功損耗。其容量為電容器電流小于電動(dòng)機(jī)空載電流的90%以下，以避免產(chǎn)生自激振蕩。其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電容器并聯(lián)在電動(dòng)機(jī)定子上，與電動(dòng)機(jī)同時(shí)起動(dòng)或停止，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)功功率的就地平衡。

（5）對(duì)于具有諧波源且無(wú)功功率波動(dòng)平緩（如：電解工藝、充電整流等）的系統(tǒng)，可采用 LC單調(diào)諧無(wú)源濾波器，在濾除特征諧波的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償功能。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。

（6）對(duì)于具有諧波源的大功率突變性負(fù)荷（如：礦井提升機(jī)、軋鋼機(jī)等），宜采用靜止式動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC），該裝置由容性FC濾波補(bǔ)償支路和感性相控電抗器 TCR（或磁控電抗器 MCR）兩部分組成。其特點(diǎn)是根據(jù)無(wú)功需量自動(dòng)改變晶閘管閥組的觸發(fā)角以改變電抗器的感性電流，反應(yīng)速度＜20ms，特別適合于沖擊性負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償。

（7）APF有源電力濾波器，一種新型的電力電子自適應(yīng)濾波裝置。該裝置利用大功率全控型電力電子器件和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，根據(jù)電網(wǎng)瞬時(shí)諧波狀態(tài)，自動(dòng)產(chǎn)生與系統(tǒng)諧波等值反向的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。

4 無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)主要的依據(jù)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有GB 50227－2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》，SD 325－1989《電力系統(tǒng)電壓和無(wú)功電力技術(shù)導(dǎo)則》，GB/T 14549－93《電能質(zhì)量與公用電網(wǎng)諧波》DL/T 604－1996〈高壓并聯(lián)電容器裝置訂貨技術(shù)條件〉，GB/T 15576－2008〈低壓成套無(wú)功功率補(bǔ)償裝置〉GB/T 20298－2006〈靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）功能特性〉等。

（2）要達(dá)到“節(jié)能降耗”的目的，無(wú)功補(bǔ)償裝置必須要有一定的運(yùn)行效果，其具體的運(yùn)行效果，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①功率因數(shù)明顯提高，并達(dá)到電力系統(tǒng)力率考核的標(biāo)準(zhǔn)。②系統(tǒng)總電流明顯下降。③系統(tǒng)電壓趨于穩(wěn)定。④供電設(shè)備的帶負(fù)載能力明顯提高。⑤系統(tǒng)無(wú)功損耗（線損和變損）明顯降低。⑥系統(tǒng)諧波含有率滿足GB/T 14549的規(guī)定，且不引起系統(tǒng)諧振。⑦供用電成本明顯降低，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。⑧供電設(shè)備溫升降低，設(shè)備的安全性和使用壽命提高。⑨補(bǔ)償設(shè)備自身運(yùn)行安全可靠，設(shè)備投資回收期約為1年，基本使用壽命在5年以上。

（3）無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)中要注意一些問(wèn)題，如電容器過(guò)載、變壓器及傳輸設(shè)備的過(guò)載等，對(duì)計(jì)算機(jī)及電氣傳動(dòng)裝置的干擾及諧振增加，即諧波放大。特別注意一下關(guān)鍵技術(shù)的處理。

1）補(bǔ)償方式問(wèn)題。首先要實(shí)現(xiàn)無(wú)功就地平衡，即注意補(bǔ)償用戶的功率因數(shù)，同時(shí)必須通過(guò)計(jì)算無(wú)功潮流，確定各點(diǎn)的最優(yōu)補(bǔ)償量、補(bǔ)償方式，降低電力網(wǎng)的損耗，達(dá)到最有效的降損，才能使有限的資金發(fā)揮最大的效益。

2）諧波問(wèn)題。電容器具備一定的抗諧波能力，但諧波含量過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)電容器的壽命產(chǎn)生影響；由于電容器對(duì)諧波有放大作用，因而使系統(tǒng)的諧波干擾更嚴(yán)重，使電壓畸形。另外，較大諧波干擾影響，使測(cè)量及控制系統(tǒng)的控制失靈。在需補(bǔ)償無(wú)功的地點(diǎn)，應(yīng)考慮濾波裝置。

3）無(wú)功倒送問(wèn)題。無(wú)功倒送會(huì)增加線路和變壓器的損耗，加重線路負(fù)擔(dān)。在三相負(fù)荷不對(duì)稱的情況下，只選擇一相作采樣和無(wú)功分析，就可能造成無(wú)功倒送，采用固定電容器補(bǔ)償方式的無(wú)功補(bǔ)償裝置，在負(fù)荷低谷時(shí)，也可能造成無(wú)功倒送。因此，無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)能根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功變化，及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整，避免無(wú)功倒送。

5 應(yīng)用實(shí)例

以下為越南緣何 5000t/d熟料水泥生產(chǎn)線高壓補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了母線集中自動(dòng)補(bǔ)償和電動(dòng)機(jī)就地固定補(bǔ)償兩種補(bǔ)償方式。圖2是原料磨工段補(bǔ)償點(diǎn)位置圖。

圖2 是原料磨工段補(bǔ)償點(diǎn)位置圖

（1）母線集中自動(dòng)補(bǔ)償 水泥磨工段6kV母線集中自動(dòng)補(bǔ)償方案如圖3所示。

圖3 水泥磨工段6kV母線集中自動(dòng)補(bǔ)償方案

設(shè)計(jì)說(shuō)明如下。

總?cè)萘糠謨山M，每組1臺(tái)柜子，共兩面柜；可實(shí)現(xiàn)4級(jí)補(bǔ)償，各級(jí)補(bǔ)償容量如下：0，600，1200，1800kvar；電抗率6%，可抑制涌流并濾除高次諧波；采用真空接觸器有利于頻繁投切；采用內(nèi)熔絲實(shí)現(xiàn)電容器過(guò)載、短路保護(hù)；采用避雷器實(shí)現(xiàn)電容器瞬時(shí)過(guò)壓保護(hù)；采用HW控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償；采用電磁鎖對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行五防閉鎖保護(hù)；采用HWCZB電容綜合保護(hù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)支路過(guò)流、速斷、開(kāi)口與不平衡保護(hù)。

（2）電動(dòng)機(jī)就地固定補(bǔ)償。窯頭高壓電動(dòng)機(jī)固定補(bǔ)償裝置系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 窯頭高壓電動(dòng)機(jī)固定補(bǔ)償裝置系統(tǒng)

設(shè)計(jì)說(shuō)明如下。

對(duì)電動(dòng)機(jī)空載無(wú)功進(jìn)行就地補(bǔ)償；額定電流：35A；使用條件：電動(dòng)機(jī)空載電流大于 39A；工作條件：與電動(dòng)機(jī)同步投切；采用內(nèi)熔絲實(shí)現(xiàn)電容器過(guò)載、短路保護(hù)；采用避雷器實(shí)現(xiàn)電容器瞬時(shí)過(guò)壓保護(hù)；采用電磁鎖對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行五防閉鎖保護(hù)；整機(jī)過(guò)載、短路、缺相等由開(kāi)關(guān)柜保護(hù)。

（3）補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)中主要參數(shù)的確定

1）電抗率K的選擇

僅用于限制涌流時(shí)，K=0.1%～1.0%，其效果應(yīng)使投入時(shí)涌流小于電容器回路額定電流的20倍。

當(dāng)用于抑制5次及以上諧波時(shí)，K=4.5%～5.0%

當(dāng)用于抑制3次及以上諧波時(shí)，K=12%，亦可采用4.5%～5.0%與12%兩種電抗率混裝的方式。

2）電容器的額定電壓

電容器回路串聯(lián)了電抗率為K的電抗器后，將引起電容器端電壓的升高，所以，電容器的額定電壓必須相應(yīng)提高。

串聯(lián)不同電抗率的電抗器，電容器需要的端電壓按下式計(jì)算：

3）有電抗器時(shí)補(bǔ)償容量的計(jì)算

首先計(jì)算出串聯(lián)電抗率為K的電抗器時(shí)，所需要的電容器額定端電壓 Uc，根據(jù) Uc選取電容器標(biāo)準(zhǔn)系列的額定電壓值 Uce（Uce＞Uc）則：裝機(jī)容量Qzj，補(bǔ)償容量Qbc由下式確定：

4）電容器補(bǔ)償容量的幾種確定方法

按主變?nèi)萘康?10%～30%配置電容器總補(bǔ)償容量，35～110kV電壓等級(jí)，可按主變?nèi)萘康?0%～25%配置補(bǔ)償容量；10kV公用配電網(wǎng)，可按主變?nèi)萘康?0%～40%配置補(bǔ)償容量。補(bǔ)償效果要求：在主變最大負(fù)荷時(shí)，一次側(cè)功率因數(shù)≥0.95；在主變低谷負(fù)荷時(shí)，一次側(cè)功率因數(shù)≤0.95。

6 結(jié)論

本文結(jié)合水泥廠電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)開(kāi)展了研究，總結(jié)了實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒?，提出了無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的事項(xiàng)，通過(guò)具體的應(yīng)用案例給出了計(jì)算公式，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)將有所幫助，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用推廣將是非常有益的。

[1] 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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[4] 王曉麗.供配電系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

Design of Reactive Power Compensation Equipment

Wang Xiaomei1 Wang Xianmin2
(1.Hefei Design and Academe of cement, Hefei 230051；2.Mechanical Engineering Department of Nanjing Engineering Institute, Nanjing 211157)

Reactive power compensation technology is very important to improve the operation quality of power grid in electricity enterprise. This article contributed to the analysis of the reactive power compensation technology and related key technique and introduces the design method of reactive power compensation device and its important notes through real case, which will promote the application and promotion of the reactive power compensation technology.

reactive power compensation technology；power grid；design；equipment

王曉梅（1959-），女，籍貫：浙江省寧波市，工作單位：合肥水泥設(shè)計(jì)研究院，高級(jí)工程師及國(guó)家注冊(cè)電氣工程師，研究方向：電氣設(shè)備及其自動(dòng)控制。