某海港變電所電能質(zhì)量測試及治理研究

佟怡爍，胡風革，何 笠，熊 勝，周 屹

某海港變電所電能質(zhì)量測試及治理研究

佟怡爍1，胡風革1，何 笠1，熊 勝1，周 屹2

（1.海軍工程大學，武漢，430033；2. 海軍后勤部軍事設施建設局，北京 100000）

為治理某海港變電所電能質(zhì)量，對某海港變電所電能質(zhì)量進行了測試。分析了變壓器低壓側電力系統(tǒng)的工作模型，基于此模型計算了系統(tǒng)工作電壓、無功補償柜電容兩端的實際工作電壓及相應的電抗率，研究結果表明：系統(tǒng)電壓過高、電容與電抗配置不合理以及無功補償控制器失效等問題導致了變壓器低壓側無功補償柜電容器頻繁損壞且系統(tǒng)功率因數(shù)偏低。最后文章提出通過安裝靜止無功發(fā)生器的方式給出了治理方案。

海港變電所 電容補償柜 靜止無功發(fā)生器

0 引言

電力用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，越先進的設備對電能質(zhì)量的要求也越高，這給供電方提出很大的挑戰(zhàn)。但同時，在低壓配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題又主要是由電力負荷所引起的。如負荷諧波電流、無功電流及三相不平衡電流等電流質(zhì)量問題同時會引起諸如電壓畸變、欠電壓以及三相電壓不平衡等電壓質(zhì)量問題。因此要從根本上改善電能質(zhì)量，除了要求供電方提供高質(zhì)量的電能外，更重要的是對那些污染電能質(zhì)量的負荷進行補償和治理?，F(xiàn)某港碼頭有一變電所，為靠岸船舶供電，變電所內(nèi)有6臺容量2000 kVA的變壓器，每臺變壓器下配2臺容量為375 kvar的電容補償柜，柜內(nèi)配電抗器。配電系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)以下問題：

1）變壓器下端無功補償柜電容器頻繁損壞，平均壽命8個月，且電容衰減嚴重，2#變壓器下端電容柜燒毀過。

2）補償效率極低，目前各變壓器系統(tǒng)功率因數(shù)在0.81~0.85之間。

1 變壓器低壓側電能質(zhì)量測試

為解決以上問題，在2#變壓器出線端進行電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。測試點位置如圖1所示。

圖1 2#變壓器測試點示意圖

第一次測試數(shù)據(jù)如圖2所示：

瞬時電壓值瞬時電壓畸變率 瞬時電流值瞬時電流畸變率 瞬時有功功率瞬時功率因數(shù) 系統(tǒng)電流有效值及畸變率 系統(tǒng)電壓有效值及畸變率

第二次測試數(shù)據(jù)如圖3所示：

瞬時電壓值瞬時電壓畸變率 瞬時電流值瞬時電流畸變率 瞬時有功功率瞬時功率因數(shù) 系統(tǒng)電壓有效值及畸變率 系統(tǒng)電流有效值及畸變率

2 電容衰減、爆炸分析

2.1 系統(tǒng)電壓過高

根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)分析，變電所至負載端有200米長的電纜連接供電，每臺變壓器下負載平均電流為1500 A。電流經(jīng)過電纜到負載端時，由壓降計算公式

可知電纜會產(chǎn)生10~20 V左右的壓降。由于設備用電情況需要，為保證負載端電壓在400 V以上，目前變壓器出線側的平均電壓在415 V以上，最高系統(tǒng)電壓430 V，具體如圖4所示。

系統(tǒng)電壓嚴重超過380 V標稱電壓，最高超出13.2%。過高的系統(tǒng)電壓嚴重影響電容器安全運行，加速電容器電容值衰減。

2.2 電容、電抗參數(shù)配置問題

電容柜內(nèi)采用電容器串聯(lián)電抗器的型式進行補償。

電容器額定容量：30 kvar，最高電壓：440 V（該系統(tǒng)中兩電容并聯(lián)，容量60 kvar）注：工作電壓為400 V時，電容器容量為25 kvar，實際工作電壓最高430 V，因此按30kvar計算。

電抗器額定電感：0.77 mH

1）電抗率計算

電容器的電容值為C，容抗:

電容器容量：

電抗器的電感值為（0.77 mH），感抗:

電抗率：

由公式（3）和（5）得

電容柜內(nèi)存在兩種回路：

a) 其中7個回路為2個電容器串聯(lián)1個電抗器（Q=60 kvar，為0.77 mH，U=0.44 kV）帶入公式3，經(jīng)過換算，電抗率計算值近似為0.075，實際廠商生產(chǎn)配置為7%電抗率。

b) 其中1個回路為1個電容器串聯(lián)1個電抗器（Q=30 kvar，為0.77 mH，U=0.44 kV）帶入公式3，經(jīng)過換算，電抗率計算值近似為0.037，實際廠商生產(chǎn)配置為3%電抗率。

2）電容器運行端電壓計算

電容器串聯(lián)電抗器后，電容器的端電壓會升高，電流、電壓相量如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)電流、電壓相量示意圖

a)當電抗器電抗率為7%。則：

即電容器端電壓為系統(tǒng)電壓的1.075倍。

目前系統(tǒng)平均電壓415 V，最高電壓430 V，計算可得：

第一種回路運行端電壓：平均電壓446.1 V，最高電壓462.25 V

b)單個電容器串聯(lián)電抗率3%電抗器后，同理可得，電容器端電壓為系統(tǒng)電壓的1.031倍。計算可得：

第二種回路運行端電壓：平均電壓427.8 V，最高電壓443.3 V

由此可知a）中電容器兩端的實際電壓嚴重超過電容器最高運行電壓440 V，危害電容安全運行，甚至發(fā)生爆炸（已發(fā)生爆炸）。電容器和電抗器的配置并不適合該用電工況。

2.3 諧波問題

由圖3可知，系統(tǒng)諧波電壓畸變率不超過1.5%，系統(tǒng)諧波電流畸變率7.6%時，系統(tǒng)電流600 A左右，處于用電低谷，諧波電流約47 A；電流畸變率在3.5%左右波動時，系統(tǒng)電流1500 A左右，處于用電常態(tài)，諧波電流在50 A左右。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，當人為控制直流負載不工作，系統(tǒng)依然存在少量諧波，若直流負載投入運行，則諧波含量必然急劇增加。本來就過壓運行的電容器將處于非常惡劣的工況。

3 治理方案

3.1 無功補償容量計算

由圖6可知，系統(tǒng)平均有功功率為850 kW，系統(tǒng)無功功率在268~600 kvar之間變化，某一瞬間達到1468 kvar，根據(jù)分析，該狀態(tài)僅為大電機類設備啟動，無諧波變化，屬于正常負荷。

系統(tǒng)無功功率 系統(tǒng)有功功率

根據(jù)公式

其中P為有功功率，S為視在功率，Q為無功功率。

若將PF提至0.95以上，系統(tǒng)無功功率含量要低于280 kvar，因此實際無功功率需求為320 kvar。在實際工作中，考慮到負載的變化，為確保設備長期穩(wěn)定運行，安裝容量建議大于實際需求容量，可安裝2臺容量為200 kvar的立柜式靜止無功發(fā)生器。該方案可有效解決電容衰減及爆炸等問題，并且提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

3.2 SVG的安裝位置

2臺靜止無功發(fā)生器的安裝位置如圖7所示。

4 總結

本文分析了變電所低壓側供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，研究了無功補償柜中電容器電容衰減嚴重、甚至發(fā)生爆炸的原因，分別分析了系統(tǒng)電壓過高、電容電抗配置以及諧波的影響，最后給出了通過安裝靜止無功發(fā)生器進行治理的解決方案。

圖7 SVG安裝位置示意圖

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Power Quality Test and Treatment of a Harbor Substation

Tong Yishuo1, Hu Fengge1, He Li1, Xiong Sheng1, Zhou Yi2

(1. Naval Engineering University, Wuhan 430033, China; 2.Military Facilities Construction Bureau of Naval Logistics Department, Beijing 100000, China)

TM922.4

A

1003-4862（2019）12-0046-04

2019-06-19

佟怡爍（1986-），男，講師，主要研究方向為控制工程。

胡風革（1988-），男，助理研究員，研究方向為軍港電力工程。E-mail: 515596441@163.com