新型模塊式無功補(bǔ)償裝置在低壓配電系統(tǒng)改造中的運(yùn)用

李玉珍，安春江

（唐山三友化工股份公司，河北 唐山 063305）

隨著我公司生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及生產(chǎn)能力的不斷提高，電力負(fù)荷也隨著相應(yīng)的增加，電力系統(tǒng)本身的電氣損耗日趨明顯，造成了電能的巨大浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)上的損失。節(jié)能降耗工作是擺在我們面前的首要問題，而采用無功補(bǔ)償裝置對(duì)系統(tǒng)無功進(jìn)行補(bǔ)償成為電氣節(jié)能改造工作的首要手段，然而面對(duì)實(shí)際情況，采取有針對(duì)性的補(bǔ)償方案又為我們電氣技術(shù)人員提出更高的要求。因?yàn)槲覀兠鎸?duì)的大多為老的配電系統(tǒng)，建廠之初的無功補(bǔ)償裝置多已報(bào)廢，而新增加又沒有安裝空間，且由于用電負(fù)荷隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大變化較大，選擇一種即能夠充分利用老的開關(guān)柜又能隨著負(fù)荷增加方便增容的無功補(bǔ)償方式成為我們要解決的主要矛盾?，F(xiàn)以鈣業(yè)公司低壓系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置改造項(xiàng)目為例介紹利用新型動(dòng)態(tài)模塊式無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行改造的經(jīng)驗(yàn)。

1 問題的提出

鈣業(yè)公司低壓電力系統(tǒng)由四臺(tái)變壓器分為四段運(yùn)行，每一段安裝一套無功補(bǔ)償裝置，共有6面無功補(bǔ)償控制柜。由于采用的傳統(tǒng)接觸器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式，而鈣業(yè)公司生產(chǎn)負(fù)荷變化較大且比較頻繁，造成無功補(bǔ)償自動(dòng)投切動(dòng)作頻繁，多年來電容漲鼓損壞、接觸器觸點(diǎn)燒毀事故頻繁，雖經(jīng)我們通過購(gòu)置優(yōu)質(zhì)電容器等電器元件進(jìn)行更換使事故率有所降低，但也只能是維持現(xiàn)狀無法從根本上解決問題。

隨著電力電子技術(shù)的成熟發(fā)展，無功補(bǔ)償技術(shù)已向無觸點(diǎn)瞬態(tài)控制發(fā)展，即根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的情況實(shí)時(shí)控制晶閘管快速投入退出電容，以達(dá)到動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪康?，從而減少接觸器的頻繁啟動(dòng)對(duì)電容器的沖擊，達(dá)到保護(hù)電容器和接觸器等電氣元件的目的。但是由于電力系統(tǒng)為使用多年的老系統(tǒng)，無功補(bǔ)償柜已安裝于系統(tǒng)之中，如果采用購(gòu)置新補(bǔ)償柜投資較大而且配電室空間所限沒有辦法安裝。如果采用在原補(bǔ)償柜上改造可充分利用現(xiàn)有材料可以節(jié)約部分費(fèi)用。但是目前市場(chǎng)上主要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償產(chǎn)品多為分立元件，即將接觸器更換為可控硅，通過分立電容器并聯(lián)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。則必須購(gòu)置各分立元件進(jìn)行組裝，這對(duì)設(shè)計(jì)、安裝人員又提出了更高的要求，根據(jù)以前改造經(jīng)驗(yàn)每套補(bǔ)償柜的改造時(shí)間約在3天左右，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且改造效果不太理想。

2 新型模塊式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置

根據(jù)以上情況，我們查找更適合我公司實(shí)際情況的替代產(chǎn)品，最終新型模塊式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置成為了我們的首選。ZLD－1100型智能低壓調(diào)諧濾波電力電容器模塊采用先進(jìn)的技術(shù)與工藝，由斷路器、晶閘管、高品質(zhì)電抗器和濾波型低壓電力電容器、智能控制及保護(hù)組件組合而成。其響應(yīng)時(shí)間20毫秒，濾波效果顯著，運(yùn)行安全可靠。

工作原理：

該產(chǎn)品將斷路器、晶閘管、高品質(zhì)電抗器、濾波型電力電容器、智能控制以及保護(hù)組件組合在一個(gè)模塊內(nèi)如圖1所示。

圖1 新型模塊式動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置

空氣斷路器作為單只模塊的總開關(guān)，并作為模塊的速斷保護(hù)，當(dāng)電容器出現(xiàn)擊穿、短路等嚴(yán)重故障時(shí)，斷路器可以切斷故障模塊和電力系統(tǒng)的聯(lián)系，以保護(hù)系統(tǒng)的安全，防止事故擴(kuò)大。

大功率可控硅投切單元晶閘管選取德國(guó)原裝西門康品牌，采用過零觸發(fā)技術(shù)，投切時(shí)無涌流、無震蕩、無操作過電壓、無須放電即可再投，在投切速度和過零精度方面達(dá)國(guó)內(nèi)一流水準(zhǔn)。

高品質(zhì)電抗器和補(bǔ)償濾波專用全膜電容器組成LC（濾波電抗器＋濾波電容器）調(diào)諧濾波回路，吸收5次及以上次數(shù)的諧波并對(duì)系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償。

采用智能化控制、保護(hù)組件，對(duì)補(bǔ)償裝置實(shí)施智能濾波補(bǔ)償控制及智能保護(hù)措施。具有過壓、欠壓、失電、缺相、過溫等多種保護(hù)功能；可以對(duì)三相電壓、電流實(shí)時(shí)波形、相位、諧波含量的測(cè)量顯示、統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)量、統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)、異常狀態(tài)告警信息并可根據(jù)告警信息設(shè)定24路輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)外部電路；輸入信號(hào)與控制信號(hào)采用光電隔離，控制板輸出與可控硅觸發(fā)信號(hào)電磁隔離技術(shù)，具有極強(qiáng)的抗干擾能力，能在諧波突出、沖擊性大的負(fù)荷環(huán)境下可靠運(yùn)行。

3 改造方案

根據(jù)變電所集中裝設(shè)的無功補(bǔ)償容量可以按照主變?nèi)萘康?0%～40%選擇規(guī)定，同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)計(jì)算補(bǔ)償容量。以鈣業(yè)公司低壓I段為例。變壓器額定容量1 600kVA，實(shí)際運(yùn)行功率因數(shù)0.81，運(yùn)行電流1 200A左右，無功478kvar，有功668kW。如功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)?.94以上，則補(bǔ)償裝置發(fā)出的無功功率為：

Q＝P（tanφ1－tanφ2）＝668×（tanarccos0.81－tanarccos0.94）＝240kvar

由于主變?nèi)萘繛? 600kVA，按照主變?nèi)萘康?0%選擇無功補(bǔ)償容量為480kvar，因此無功補(bǔ)償裝置容量選擇480kvar完全可以滿足系統(tǒng)現(xiàn)在和將來的需要，以一套480kvar無功補(bǔ)償裝置為例，每一個(gè)補(bǔ)償模塊補(bǔ)償容量60kvar，則需要8個(gè)ZLD－1100SZ／525－60－7%模塊組合而成，考慮系統(tǒng)中變頻器較多，諧波以5次諧波為主，為此電抗器的電抗率應(yīng)在6%以上，而模塊的電抗器電抗率為7%可以滿足系統(tǒng)的需要。改造原理圖如圖2所示。

圖2 480kvar無功補(bǔ)償裝置

由圖2可知，改造時(shí)只需將主電纜接入到模塊內(nèi)，利用485串行接口實(shí)現(xiàn)模塊之間的通信，由控制器控制模塊的投入。使其改造工作量大大減低，實(shí)際證明4套無功補(bǔ)償裝置改造僅用了兩天時(shí)間改造完成，同時(shí)對(duì)施工人員的技術(shù)要求也大大降低。

4 效益分析

從表1中可以看出，電容柜智能無功補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓提高2～9V，系統(tǒng)電流、無功缺額、視在功率降低，功率因數(shù)提高到0.93以上。

（1）根據(jù)無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量Kq可計(jì)算出年增電費(fèi)開支，主變因無功補(bǔ)償不足而增加的有功損耗為：

表1 電容柜改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比表

OP′＝Kq×Q

OP′為有功損耗量；Kq為經(jīng)濟(jì)當(dāng)量；Q為無功缺額。

鈣業(yè)公司供電系統(tǒng)屬三級(jí)變壓Kq＝0.08～0.1，取中間值Kq＝0.09。

因缺少無功補(bǔ)償而增加的有功消耗，計(jì)算得：

Ⅰ段變：OP′＝0.09×（478－227）kvar＝22.59kW

Ⅱ段變：OP′＝0.09×（490－214）kvar＝24.84kW

Ⅲ段變：OP′＝0.09×（93－56）kvar＝3.33kW

Ⅳ段變：OP′＝0.09×（165－101）kvar＝5.76kW

（2）在某一額定電壓情況下有功負(fù)荷不變，由于功率因數(shù)變化其線路損耗亦變化，線損變化率為：

式中，OP%為線損變化率；COSΦ1為補(bǔ)償前功率因數(shù)；COSΦ2為補(bǔ)償后功率因數(shù)。

計(jì)算得：

Ⅰ段變：OP%＝25.4%

Ⅱ段變：OP%＝34.5%

Ⅲ段變：OP%＝17.4%

Ⅳ段變：OP%＝17.0%

根據(jù)國(guó)標(biāo)，線路損耗占用電量的2%，增加的線損有功功率為：

Ⅰ段變：668kW×2%×25.4% ＝3.39kW

Ⅱ段變：571kW×2%×34.5% ＝3.94kW

Ⅲ段變：156kW×2%×17.4% ＝0.53kW

Ⅴ段變：261kW×2%×17.0% ＝0.89kW

（3）現(xiàn)綜合（1）、（2）兩項(xiàng)，電容柜實(shí)施智能無功補(bǔ)償改造后每年減少電費(fèi)支出：

［（22.59＋24.84＋3.33 ＋5.76）＋（3.39＋3.94＋0.53＋0.89）］×0.46元×24h／天×360天＝259 409元

從以上計(jì)算可以看出，電容柜實(shí)施智能無功補(bǔ)償改造后一年可節(jié)約25.9萬元的電費(fèi)支出，還不包括因功率因數(shù)低引起的力調(diào)電費(fèi)（無功罰款），可以說經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的。