聚酯一單元低壓配電系統(tǒng)無功補(bǔ)償設(shè)計

吳朝祥

(中國石化儀征化纖股份有限公司聚酯中心運(yùn)保室，江蘇儀征 211900)

電力系統(tǒng)中，電動機(jī)等有線圈的用電設(shè)備很多，這類設(shè)備除從電源中取得一部分電流做功外，還要從電源處取得一部分不做功的電感電流，這使得輸變電設(shè)備上的電流要額外加大，功率因數(shù)就是用來衡量這一部分不做功的電流的。如果用電設(shè)備能夠就近取得無功電流，不需要從遠(yuǎn)處通過輸變電設(shè)備輸送到用電設(shè)備處，就可以降低輸變電設(shè)備的負(fù)載率，減少輸變電設(shè)備的有功損耗和無功損耗，減少電壓損耗。

無功電源同有功電源一樣，是保證電能質(zhì)量不可缺少的部分，在電力系統(tǒng)中應(yīng)保持無功平衡。當(dāng)系統(tǒng)無功不足時，系統(tǒng)電壓降低，設(shè)備損壞，嚴(yán)重時會引起電壓崩潰，系統(tǒng)解裂，造成大面積停電事故，因此，解決電網(wǎng)無功容量不足，增裝無功補(bǔ)償設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)，對電網(wǎng)降損節(jié)電，安全可靠運(yùn)行有著極為重要的意義［1］。當(dāng)無功就地補(bǔ)償時，能夠降低發(fā)電機(jī)、輸電線路和變壓器等設(shè)備的負(fù)載率，減少輸變電設(shè)備的損耗。

1 提高功率因數(shù)的辦法

1.1 電容無功補(bǔ)償基本原理

提高功率因數(shù)的方法常用補(bǔ)償法，低壓配電系統(tǒng)中常用并聯(lián)電力電容器的辦法來補(bǔ)償用電設(shè)備需要的無功功率，這被稱為電容無功補(bǔ)償法。在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器，可用電容器的無功功率來補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率，從而減少感性負(fù)載與電源之間原有的無功能量交換。在交流電路中，純電阻電路負(fù)載中的電流與電壓同相位，純電感負(fù)載中的電流滯后于電壓90°，而純電容的電流則超前于電壓90°，電容中的電流與電感中的電流相差180°，能相互抵消。電力系統(tǒng)中的負(fù)載呈感性，因此總電流將滯后電壓一個角度，如圖1所示，將并聯(lián)電容器與負(fù)載并聯(lián)，則電容器的電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流減小，功率因數(shù)提高。

圖1 電容補(bǔ)償基本原理圖

1.2 無功補(bǔ)償方式

無功補(bǔ)償?shù)姆绞接袀€別補(bǔ)償、分組補(bǔ)償、集中補(bǔ)償?shù)取?/p>

個別補(bǔ)償亦稱單機(jī)補(bǔ)償，即將電容器組直接裝設(shè)在需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)母鱾€用電設(shè)備(主要是電動機(jī))附近，就地補(bǔ)償用電設(shè)備所消耗的無功功率，這種補(bǔ)償方式能夠補(bǔ)償安裝部位前面所有高低壓線路和變壓器的無功功率，補(bǔ)償范圍大，效果好。

分組補(bǔ)償是指將電容器組按低壓配電網(wǎng)的無功負(fù)荷分布情況，分組裝設(shè)在相應(yīng)的母線上，或者直接與低壓干線相連接，形成低壓電網(wǎng)內(nèi)部的多組分散補(bǔ)償方式。

集中補(bǔ)償，即把電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側(cè)的母線上。在實際中會將電容器接在變電所的高壓或低壓母線上，電容器組的容量按配電所的總無功負(fù)荷來選擇。

根據(jù)儀化聚酯中心設(shè)備現(xiàn)狀，選擇集中補(bǔ)償方式。

對于低壓配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償，通常采用在配電變壓器低壓側(cè)和用戶車間配電屏安裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器。根據(jù)《GB50052－2009供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》第6.0.7條的規(guī)定，在配電變壓器的低壓側(cè)利用無功功率自動補(bǔ)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。

2 一單元無功補(bǔ)償容量確定

2.1 運(yùn)行現(xiàn)狀及補(bǔ)償目標(biāo)

由于聚酯裝置采用雙變壓器供電，故在補(bǔ)償時需分段集中補(bǔ)償。根據(jù)第三方檢測結(jié)果以及實際運(yùn)行情況，得到表1數(shù)據(jù)。

表1 一單元電能現(xiàn)狀及功率因數(shù)目標(biāo)值

2.2 補(bǔ)償容量計算

2.2.1 電容容量計算

對于已投運(yùn)的低配室，其無功補(bǔ)償容量可根據(jù)式(1)來計算。由于電源A段和電源B段的負(fù)載會因生產(chǎn)情況發(fā)生變化，為達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)，通常以負(fù)荷較高的一段計算補(bǔ)償容量，其補(bǔ)償容量Qe按下式選擇:

式中:Km為月有功功率消耗量，由有功電能表讀得;Kj為補(bǔ)償容量計算系數(shù)，一般取0.8～0.9;由有功和無功電能表讀數(shù)，可求得補(bǔ)償前的功率因數(shù)正切值tgφ1=0.62，補(bǔ)償后的功率因數(shù)正切值tgφ2=0.33;Tm為企業(yè)的月工作小時數(shù)。低配室一段電源的無功補(bǔ)償容量為:

Qe=8763 ×30 ×0.9 × (0.62 －0.33)/Tm=8763×30 ×0.9 ×(0.62 －0.33)/(30 ×24)≈95.3 kvar

2.2.2 串聯(lián)電抗器選擇

由于電網(wǎng)3次諧波突出，除限制涌流外，尚能濾除部分3次諧波，以便清潔電網(wǎng)。選擇的原則是，即使電容電抗接近諧振，但不能達(dá)到諧振。

對3次諧波而言，3XL=Xc/3，XL=Xc/9=0.111Xc

在選擇電抗器電抗率時，不但要接近諧振頻率，還要使回路成感性，故電抗器電抗率K選擇在12%～13%。至于電抗器的容量，它等于所串電容器容量乘以電抗率，即QL=KQC。一般說來，只要給出所接電容器容量、電網(wǎng)額定電壓及要求的電抗器電抗率。

2.3 串入電抗器后，電容器端電壓及補(bǔ)償容量的變化

2.3.1 串入電抗器后，電容器端電壓的變化

由于系統(tǒng)電壓不變，而電抗器壓降又與電容器上壓降剛好相位相反，這樣必然造成電容器端電壓升高。由于電抗率是電抗器電抗值與電容器容抗值之比的百分?jǐn)?shù)，電抗器上的壓降必然為電容器上的壓降乘以電抗率。

即 Uc－UL=UN(Uc、UL、UN分別為電容器、電抗器及系統(tǒng)電壓)

Uc－kUc=UN

Uc(1－k)=UN

Uc=UN/(1－k)

由此可見，串電抗后，電容器電壓升高非(1+k)倍，而是1/(1－k)，這樣，串入電抗后，電容器端電壓升高，其升高倍數(shù)如表2所示。

表2 串入電抗后，電容器端電壓升高值

2.3.2 串入電抗器后，補(bǔ)償容量的變化

由于電抗器吸收電容器所產(chǎn)生的無功補(bǔ)償功率，造成電容器向電網(wǎng)無功補(bǔ)償能力減弱。由于串電抗造成電容器端電壓升高，必須采用適合此電壓的電容器，即選用較高電壓等級的電容器。這樣組合下來，實際電壓又不一定正巧與所選電容器額定電壓一致，一般都小于電容器額定電壓。由于電容器在小于額定電壓下運(yùn)行，實際補(bǔ)償容量又低于電容器銘牌所標(biāo)容量［2］。

系統(tǒng)電壓UN=380 v，每回路補(bǔ)償電容器為30 kvar，串入電抗率k=12%，則:

a)電容器實際承受電壓Uc=UN/(1－k)=380/(1－12%)≈432 v

選擇電容器額定電壓為480 v，電抗器實際壓降為UL=430v－400v=30 v，或 UL=kUc=7% ×430=30 v

b)額定電壓480 v電容器，實際承受電壓為430 v，實際生產(chǎn)的無功功率為額定無功的(432/480)2=0.81。自身發(fā)出的無功 Q=30 ×0.81=24.3 kvar

c)電容器實際向電網(wǎng)發(fā)出額定功率的0.81×(1－12%)=0.712 8倍，即 30×0.7128=21.384 kvar

d)電容器串入電抗器后實際電流

以30 kvar電容器為例，額定電壓480 v，額定電流為 IN=30/(1.732 ×0.48)=36.1 A，實際運(yùn)行時，承受電壓為430 v。

實際電流為I=IN×(432/480)=36.1×(432/480)=32.49 A

這樣，選擇回路導(dǎo)體及投切元件只能按32.3 A選擇，不能按系統(tǒng)電壓380 V、電容器30 kvar求得。

3 提高功率因數(shù)的實際意義

a)提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運(yùn)行條件，充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力

功率因數(shù)的表達(dá)式為:cosφ=P/S=P/1.732UI

可見，在一定的電流和電壓下，提高cosφ，其輸出的有功功率越大。因此，改善功率因數(shù)是充分發(fā)揮設(shè)備潛力、提高設(shè)備利用率的有效方法。

b)可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費(fèi)開支［3］

假定:1)系統(tǒng)沒有諧波;2)無功補(bǔ)償設(shè)備為純電容;3)負(fù)載及無功補(bǔ)償設(shè)備三相對稱。

以B段運(yùn)行參數(shù)為例，此時已知運(yùn)行電流I=620 A，補(bǔ)償前功率因數(shù) cosφ1=0.85。補(bǔ)償后功率因數(shù)為0.95，總電流可以下降到550 A，下降的全是無功電流。

c)可減少線路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率

因發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量的限定，故提高cosφ也就使發(fā)電機(jī)能多出有功功率。

電力網(wǎng)的電壓損失可用下式求出線路電壓降為［4］:

式(2)中，P為線路的有功負(fù)荷，Q為線路的無功負(fù)荷，R和X分別是線路的阻抗和電抗，U是線路的供電電壓。如果采用容抗為XC的電容來補(bǔ)償，則電壓損失為:

所以，采用補(bǔ)償電容提高功率因數(shù)后，電壓損失△U減小，改善了電壓質(zhì)量。從式(1)和式(2)知，無功負(fù)荷越小，則線路電壓降就越小。

4 結(jié)語

筆者對無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩o功補(bǔ)償?shù)姆绞竭x擇和無功補(bǔ)償容量的確定作了探討。在實際應(yīng)用中，特別是在運(yùn)行中的生產(chǎn)線，要根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的情況及用戶的需要，最好是滿負(fù)荷時進(jìn)行現(xiàn)場測量，可使無功補(bǔ)償獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］勒龍章，丁毓山.電網(wǎng)無功補(bǔ)償實用技術(shù)［M］.北京:中國水利出版社，1997:55－56.

［2］郭枝新，張都存.抑制諧波電抗器參數(shù)計算［M］.建筑電氣技術(shù)文集，2001:48－50.

［3］戴曉亮.無功補(bǔ)償技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1999，12 －13.

［4］劉介才.工廠供電［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003，62－65.