CGY型高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償在福興礦的設(shè)計(jì)應(yīng)用

孫偉 孔濤

（福興集團(tuán)，山東棗莊 277300）

CGY型高壓自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償在福興礦的設(shè)計(jì)應(yīng)用

孫偉 孔濤

（福興集團(tuán)，山東棗莊 277300）

文章介紹了諧波對(duì)供電線路、電氣設(shè)備的危害、諧波治理標(biāo)準(zhǔn)和諧波的抑制措施，以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砑氨匾?，通過(guò)運(yùn)行技術(shù)數(shù)據(jù)對(duì)比，自動(dòng)根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行無(wú)功跟蹤補(bǔ)償將功率因數(shù)提高達(dá)0.96以上，根據(jù)電業(yè)局無(wú)功力率考核取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，并降低電壓的畸變，消除了諧波對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高礦井供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

CGY型高壓 自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償 福興礦 設(shè)計(jì)應(yīng)用

1　諧波公害及抑制措施

1.1諧波的危害

諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害總體概括為以下幾個(gè)方面：

（1）對(duì)供電線路的危害。1）影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行。大部分供配電系統(tǒng)的電力變壓器和電力線路均采用電磁繼電器、感應(yīng)式繼電或晶體管繼電器檢測(cè)保護(hù)，在故障情況下，以確保線路和設(shè)備的安全。但電磁繼電器和感應(yīng)繼電器由于諧波含量高容易導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作，因此，在諧波影響下不能充分有效地保護(hù)。晶體管繼電器有很多優(yōu)勢(shì)，但由于采用了整流采樣電路，易受諧波影響，產(chǎn)生誤動(dòng)作或拒動(dòng)作。通過(guò)這種方式，諧波對(duì)供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。2）影響電網(wǎng)的質(zhì)量。電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)使電網(wǎng)電壓和電流波形的畸變。如民用配電系統(tǒng)中性線，因?yàn)樨?fù)載如熒光燈、調(diào)光燈，電腦，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，其中三次諧波甚至高達(dá)40%；三相配電線路，相線的三整數(shù)次諧波疊加在中性線上將使中性線當(dāng)前值可能超過(guò)相線電流。此外，相同頻率的諧波電壓和諧波電流產(chǎn)生諧波有功功率和無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，電網(wǎng)容量的浪費(fèi)。

（2）對(duì)電氣設(shè)備的危害。

表1　公用電網(wǎng)諧波電壓限值（相電壓）

表2　注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

1）對(duì)電力電容器的危害。電網(wǎng)存在諧波時(shí)，投入電容其端電壓的增加，電容電流增加，電容損耗功率增加。膜紙復(fù)合介質(zhì)電容器的諧波損耗功率允許為沒(méi)有諧波損耗功率的1.38倍，全膜電容器諧波損耗功率允許為沒(méi)有諧波損耗功率的1.43倍時(shí)，諧波含量較高，但如果超過(guò)電容器允許的條件，將使電容器過(guò)電流和過(guò)載，損耗功率超過(guò)上述值，異常發(fā)熱，電容器在電場(chǎng)和溫度的作用下絕緣加速老化。特別是電容器在電網(wǎng)的電壓畸變，也加劇了電網(wǎng)諧波，諧波發(fā)生擴(kuò)大現(xiàn)象。此外，諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，峰值電壓波在介質(zhì)中的引起局部放電的，其電壓變化率大，局部放電強(qiáng)度大，加速了絕緣介質(zhì)老化，縮短了電容器的使用壽命。電壓每上升10%，電容器壽命縮短的一半左右。此外，在諧波嚴(yán)重情況下，會(huì)導(dǎo)致電容器鼓肚、破裂或爆炸。

2）對(duì)電力變壓器的危害。諧波使變壓器的銅損增加，包括導(dǎo)體電阻損耗，導(dǎo)體的渦流損耗和外部漏通量引起的雜散損耗均會(huì)增加。諧波也會(huì)使變壓器的鐵損增加，這主要表現(xiàn)在鐵心的磁滯損耗增加，諧波使電壓波形變得越糟，磁滯損耗越大。上述兩個(gè)方面的損失增加，降低了變壓器的實(shí)際使用能力，需要考慮在選擇變壓器額定容量時(shí)預(yù)留的電網(wǎng)諧波含量。此外，諧波也引起變壓器噪聲增加，變壓器噪聲的振動(dòng)主要是由于磁致伸縮的鐵心，隨著諧波次數(shù)的增加，振動(dòng)頻率在1 KHZ成分使混合噪音增加，有時(shí)還發(fā)出金屬的聲音。

3）對(duì)電力電纜的危害。高頻諧波頻率增加，加上電纜導(dǎo)體橫截面積增大，趨膚效果更加明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使電纜所允許電流降低。此外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

4）對(duì)危害電氣設(shè)備。對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害： 諧波對(duì)異步電動(dòng)機(jī)影響，主要是提高電動(dòng)機(jī)的附加損耗，降低效率，嚴(yán)重時(shí)使電機(jī)過(guò)熱。尤其是負(fù)序諧波形成電機(jī)負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反力矩，制動(dòng)效果，從而減少電動(dòng)機(jī)的輸出。另外電機(jī)的諧波電流，當(dāng)頻率接近某個(gè)部分的固有頻率會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的機(jī)械振動(dòng)發(fā)出很大的噪音。

5）對(duì)低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的危害。配電斷路器、電磁類(lèi)型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵損耗和發(fā)熱增加，同時(shí)由于電磁鐵和渦流效應(yīng)的影響使脫扣困難，且諧振次數(shù)越高影響越大；熱磁斷路器，由于導(dǎo)體的集膚次應(yīng)與鐵耗增加，導(dǎo)致發(fā)熱，額定電流與脫扣電流減少；電力斷路器，諧波還要使額定電流減少，特別是峰值檢測(cè)電路斷路器額定電流減少更多。因此，上述三種配電斷路器可能是由于諧波產(chǎn)生誤動(dòng)作。對(duì)于漏電斷路器來(lái)說(shuō)，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。對(duì)于電磁接角器來(lái)說(shuō)，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點(diǎn)，線圈溫度升高使額定電流降低。對(duì)于熱繼電器來(lái)說(shuō)，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動(dòng)作。

保險(xiǎn)絲通常由熱熔片組合而成。對(duì)諧波流加熱效應(yīng)引起的趨膚效應(yīng)是非常敏感的，如果諧波含量大，熔絲容易破裂。

6）干擾弱電系統(tǒng)設(shè)備。對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通訊、有線電視、報(bào)警、樓宇自動(dòng)化和其他弱電設(shè)備，在電力系統(tǒng)中諧波通過(guò)電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)和傳導(dǎo)模式耦合到系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。電感應(yīng)和靜電感應(yīng)耦合強(qiáng)度與干擾頻率成正比，通過(guò)公共接地傳導(dǎo)耦合，存在許多不平衡電流入接地極，干擾弱電系統(tǒng)。

7）影響功率測(cè)量的準(zhǔn)確性。目前用于電力測(cè)量?jī)x表有電磁式和感應(yīng)式，它們極易受到諧波的影響。特別是電能表（使用感應(yīng)式），當(dāng)諧波較大將產(chǎn)生計(jì)量混亂，測(cè)量不準(zhǔn)。

1.2諧波治理的標(biāo)準(zhǔn)

隨著1994年3月1日國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》——GB/T14549-93國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，以法律的形式規(guī)定了供電系統(tǒng)的諧波限制及治理標(biāo)準(zhǔn)。電力部門(mén)對(duì)諧波的危害和治理的認(rèn)識(shí)也得到進(jìn)一步提高，積極創(chuàng)造條件對(duì)供電系統(tǒng)的諧波進(jìn)行綜合治理。

（1）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)諧波電壓限制。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-9《3電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》規(guī)定的公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值見(jiàn)表1所示。

（2）國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)諧波電流允許值。國(guó)標(biāo)中規(guī)定在核定基準(zhǔn)短路容量下注入系統(tǒng)公共接點(diǎn)的各次諧波電流允許值見(jiàn)表2所示。

1.3諧波的抑制措施

根據(jù)以上分析對(duì)比，系統(tǒng)內(nèi)的5次及以上諧波含量相對(duì)較高，解決方式是并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償裝置，在補(bǔ)償回路串入電抗率為6%的鐵芯電抗，這樣既補(bǔ)償了無(wú)功的同時(shí)，兼顧了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)諧波的抑制。

2　無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砗捅匾?/h2>

2.1無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑?/p>

電網(wǎng)輸出的功率包括兩部分；一是有功功率；二是無(wú)功功率.直接消耗電能，把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，熱能，化學(xué)能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱(chēng)為有功功率；不消耗電能；只是把電能轉(zhuǎn)換為另一種形式的能，這種能作為電氣設(shè)備能夠作功的必備條件，并且，這種能是在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換，這部分功率稱(chēng)為無(wú)功功率，如電磁元件建立磁場(chǎng)占用的電能，電容器建立電場(chǎng)所占的電能.電流在電感元件中作功時(shí)，電流超前于電壓90℃。而電流在電容元件中作功時(shí)，電流滯后電壓90℃.在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180℃.如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，從而提高電能作功的能力，這就是無(wú)功補(bǔ)償?shù)牡览?

2.2無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x

（1）補(bǔ)償無(wú)功功率，可以增加電網(wǎng)中有功功率的比例常數(shù)。（2）減少發(fā)，供電設(shè)備的設(shè)計(jì)容量，減少投資，例如當(dāng)功率因數(shù)cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95時(shí)，裝1Kvar電容器可節(jié)省設(shè)備容量0.52KW；反之，增加0.52KW.對(duì)原有設(shè)備而言，相當(dāng)于增大了發(fā)，供電設(shè)備容量.因此，對(duì)新建，改建工程.應(yīng)充分考慮無(wú)功補(bǔ)償，便可以減少設(shè)計(jì)容量，從而減少投資。（3）降低線損，由公式△P%=（1-cosΦ1/cosΦ2）X100%得出其中cosΦ2為補(bǔ)償后的功率因數(shù)，cosΦ1為補(bǔ)償前的功率因數(shù)則cosΦ2＞cosΦ1，所以提高功率因數(shù)后，線損率也下降了.減少設(shè)計(jì)容量，減少投資，增加電網(wǎng)中有功功率的輸送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.所以，功率因數(shù)是考核經(jīng)濟(jì)效益的重要指標(biāo)，規(guī)劃、實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償勢(shì)在必。

3　無(wú)功補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

無(wú)功補(bǔ)償容量的計(jì)算式中

Qc-------------補(bǔ)償裝置容量（Kvar）

P--------------負(fù)荷功率（KW）

Cos1Ψ-------補(bǔ)償前的功率因數(shù)

Cos2Ψ-------補(bǔ)償后的功率因數(shù)

從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，該段母線電壓可取平均值，電流可取當(dāng)日負(fù)荷最大時(shí)的電流值，功率因數(shù)可按照日平均功率因數(shù)選?。≒=UI Cos1Ψ），目標(biāo)功率因數(shù)取0.98。將測(cè)量數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)代入上式可計(jì)算得出：Qc=2100.5KVAR，為了確保補(bǔ)償效果，該補(bǔ)償裝置預(yù)留20%左右的補(bǔ)償裕量，同時(shí)考慮到電容器在使用過(guò)程中自身的衰減，取Qc=2500KVAR。

另每日最小負(fù)荷時(shí)所需的無(wú)功容量也可經(jīng)上式計(jì)算，取當(dāng)日最小電流值，代入上式計(jì)算可得Qcmin=448KVAR，可取500KVAR。這樣母線可分3步進(jìn)行投切，即500+1000+1000KVAR三步。并且在每一個(gè)補(bǔ)償回路里面串聯(lián)6%電抗器，以抑制5次以上諧波。

［1］GB/T 14549-93.《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》.2010.

［2］GB50227-95.《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》.2012.

［3］GB10229-88 .《串聯(lián)電抗器》.2014.

孫偉（1979—），男，工程師，現(xiàn)任福興集團(tuán)有限公司機(jī)電礦長(zhǎng)，從事煤礦機(jī)電管理等工作。孔濤（1985—），男，工程師，現(xiàn)任福興集團(tuán)有限公司機(jī)電工程師，從事煤礦機(jī)電技術(shù)工作。