低用電負荷下的功率因數(shù)改善實踐

呂同峰

(山西中條山集團陶瓷科技有限公司， 山西 垣曲 043700)

0 前言

在某公司利用銅尾礦制備建筑陶瓷項目中，根據(jù)用電設(shè)備計算容量、電網(wǎng)可供容量及對電源的要求，廠區(qū)供電電壓選擇35 kV進線，設(shè)備用電電壓為0.4 kV。項目配套建設(shè)有一座35 kV無人值守箱式變電站, 35 kV電源引自低碳經(jīng)濟循環(huán)產(chǎn)業(yè)區(qū)110 kV變電站35 kV出線，采用單電源供電方式，變電站為單母線分段主接線。陶瓷窯爐烘窯期間，用電負荷較低，電容器過補償現(xiàn)象頻繁發(fā)生，智能無功補償裝置無法有效投切，造成用電功率因數(shù)偏低，根據(jù)國家《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》，電費結(jié)算當月力調(diào)電費處罰達9萬余元。若不采取有效措施，再遇到類似情況，生產(chǎn)成本將持續(xù)增加。因此，采取相應(yīng)的技術(shù)措施提高功率因數(shù)是非常有必要的。

1 變電站電氣主接線簡介

35 kV總降壓變電站內(nèi)裝設(shè)有2臺35 kV/10.5 kV雙繞組變壓器，1#主變?nèi)萘繛?2 500 kA，2#主變?nèi)萘繛?0 000 kVA，2臺主變從設(shè)計上滿足并列運行條件。變電站下設(shè)2座10 kV變電所，命名為東區(qū)變電所和西區(qū)變電所，主要負責(zé)向生產(chǎn)線上所有設(shè)備及尾礦濃縮區(qū)設(shè)備供電。2座變電所主接線型式均為單母線分段，東區(qū)變電所設(shè)有4臺10 kV/0.4 kV電力變壓器(每臺容量均為2 500 kVA)，西區(qū)變電所設(shè)有6臺10 kV/0.4 kV電力變壓器(4臺容量為2 500 kVA，2臺容量為2 000 kVA)，其中1#和2#變壓器、3#和4#變壓器、5#和6#變壓器、7#和8#變壓器、9#和10#變壓器之間通過低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)可實現(xiàn)并聯(lián)運行。西區(qū)變電所10 kV側(cè)Ⅰ段和Ⅱ段各配置了1套無功補償裝置，采用集中補償形式，單臺并聯(lián)電容器額定容量分為100 kvar和200 kvar兩種；每臺10 kV/0.4 kV電力變壓器對應(yīng)的低壓配電系統(tǒng)中，均配置了智能無功補償裝置，采用分散補償形式，單臺并聯(lián)電容器額定容量分為30 kvar和50 kvar兩種，同時為了限制電容器組合閘過程中的涌流，限制操作過電壓和抑制電網(wǎng)中高次諧波對電容器的影響，每組電容器加裝了串聯(lián)電抗器[1]。變電站采用綜合自動化系統(tǒng)，綜合考慮控制、監(jiān)視、測量、保護及自動裝置等，形成一體化系統(tǒng)[2]，2臺主變保護及測控選用集中組屏，10 kV高壓開關(guān)柜為微機分散綜合保護，各供電設(shè)備間相互交換信息、數(shù)據(jù)共享，完成變電站運行監(jiān)視和控制任務(wù)[3]，同時變電站主控室和調(diào)度指揮中心均可同步實時監(jiān)視功率因數(shù)、有功功率、無功功率、電流和電壓等關(guān)鍵運行參數(shù)。正常用電負荷下供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 正常用電負荷下供電系統(tǒng)圖

2 項目存在的問題及原因分析

項目投產(chǎn)烘窯的一個月內(nèi)，日均用電負荷僅600 kW左右，有些時段甚至低至100 kW，由于西區(qū)變電所10 kV配電系統(tǒng)配置的無功補償裝置中電容級差較大(最小額定容量100 kvar)，當功率因數(shù)低于設(shè)定目標值時，電容器自動投入后運行在過補償狀態(tài)，會帶來力調(diào)電費增加、線損增加、電壓降低等危害，而運行中的10kV電力變壓器負載率又普遍偏低，且0.4 kV配電系統(tǒng)采用分散補償形式，同樣會導(dǎo)致無功功率無法進行有效補償。

3 處理方案及實施

3.1 處理方案

從上述分析可以看出，在低用電負荷下若要提高功率因數(shù)，電力電容器無功補償必不可少。在不增加設(shè)備經(jīng)濟投入的前提下，根據(jù)變電所無功補償裝置實際配置情況及生產(chǎn)工況，某公司決定打破常規(guī)供電運行模式，嘗試用1臺10 kV/0.4 kV電力變壓器來承擔(dān)全廠用電負荷，目標是提高變壓器的負載率，并將其對應(yīng)的低壓電容器柜作為低用電負荷下的無功集中補償設(shè)備。處理方案如下：

低用電負荷期間，暫時停用1#主變，將 2#主變投入運行，負責(zé)給全廠用電設(shè)備供電，并在確認1#主變高、低壓側(cè)開關(guān)柜均處于斷開狀態(tài)，且10 kV配電系統(tǒng)中無功補償裝置退出運行后，根據(jù)預(yù)先制定的倒閘操作流程來改變供電系統(tǒng)運行方式。由于5#和6#電力變壓器相對于其他10 kV電力變壓器而言，容量較小利于提高變壓器負載率，因此，選定6#電力變壓器作為10 kV總降壓變壓器，5#電力變壓器作為10 kV總升壓變壓器，并利用6#電力變壓器低壓側(cè)智能無功補償裝置進行集中補償，從而將總功率因數(shù)補償?shù)?.9以上。采取上述措施后，6#電力變壓器承擔(dān)了低負荷下的所有用電負載，其負載率可明顯增加，為無功集中補償?shù)於藞詫嵒A(chǔ)。

3.2 無功補償控制器的參數(shù)設(shè)置

處理方案確定后，對智能無功補償裝置參數(shù)進行優(yōu)化，確保用電設(shè)備在低負荷下安全可靠運行?，F(xiàn)場選配的PQM- 200智能無功補償控制器是集數(shù)據(jù)采集、無功補償、電網(wǎng)參數(shù)分析等功能于一體的新型配電測控設(shè)備[8]，適用于交流0.4 kV、50 Hz低壓配電系統(tǒng)的監(jiān)測及無功補償控制。主要參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 PQM- 200智能無功補償控制器的主要參數(shù)設(shè)置

3.3 實施過程

為進一步驗證處理方案的可行性，依據(jù)全廠供電系統(tǒng)圖，遵照《國家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，提前著手編制倒閘操作票，組織公司電氣運行人員進行模擬演練，以防止電氣誤操作，并借工藝生產(chǎn)系統(tǒng)停產(chǎn)檢修機會對制定的解決方案進行了全面實施。具體倒閘操作步驟如下：

1)斷開10 kV Ⅰ段進線821開關(guān)、西區(qū)分段8200開關(guān)、Ⅰ段電容8102開關(guān)、Ⅱ段電容8202開關(guān)、2#變壓器8203開關(guān)、4#變壓器8204開關(guān)、東區(qū)Ⅱ段8201開關(guān)、2#進線8401開關(guān)、8#變壓器8402開關(guān)、10#變壓器8403開關(guān)和東區(qū)分段8400開關(guān)。

2)斷開2#、4#、8#、10#低壓進線開關(guān)，并將其退至試驗位置。

3)斷開10 kV/0.4 kV電力變壓器低壓側(cè)1#-10#無功補償裝置總電源開關(guān)。

4)依次合上6#變壓器8203開關(guān)、6#低壓進線開關(guān)、5#和6#低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)、5#低壓進線開關(guān)、5#變壓器8105開關(guān)、1#變壓器8103開關(guān)、3#變壓器8104開關(guān)、東區(qū)Ⅰ段8101開關(guān)、1#進線8301開關(guān)、7#變壓器8302開關(guān)、9#變壓器8303開關(guān)。

5)合上1#和2#低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)、3#和4#低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)、7#和8#低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)、9#和10#低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)。

6)合上6#電力變壓器0.4 kV側(cè)無功補償裝置總電源開關(guān),并在智能無功補償控制器上將功率因數(shù)要達到的目標值設(shè)定為0.95。

一定要注意的是在倒閘操作過程中，必須將斷開的所有開關(guān)退至試驗位置，并在其開關(guān)柜上懸掛“注意有可能反送電”的警示牌，做好防止反送電的安全技術(shù)措施。倒閘操作后的低用電負荷下供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 低用電負荷下供電系統(tǒng)圖

由圖2可知，低用電負荷下供電運行方式變化如下：6#電力變壓器被作為10 kV總降壓變壓器，其電壓由10 kV降至0.4 kV，通過6#低壓進線開關(guān)、低壓聯(lián)絡(luò)開關(guān)、5#低壓進線開關(guān)使得5#變壓器帶電；此時，5#電力變壓器被作為總升壓變壓器，其電壓由0.4 kV升至10 kV，合上5#變壓器開關(guān)8105后，將10 kV電源直接反送至西區(qū)變電所10 kV Ⅰ段母線，再經(jīng)東區(qū)Ⅰ段饋出線開關(guān)8101和1#進線開關(guān)8301送至西區(qū)變電所10 kV Ⅰ段母線。東區(qū)和西區(qū)變電所10 kV Ⅰ段母線確認有電的情況下，依次合上1#、3#、7#、9#變壓器開關(guān)及其對應(yīng)的低壓進線開關(guān)，隨后將其分別與2#、4#、8#、10#電力變壓器的低壓側(cè)進行聯(lián)絡(luò)，最終在確認各項倒閘操作結(jié)果無誤后，投入6#電力變壓器低壓側(cè)6#智能無功補償裝置進行集中補償，從而實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場電源點全覆蓋。

4 結(jié)束語

改變供電運行方式后，電容級差易于在低用電負荷下進行調(diào)整，同時感性負載也有所增加，該舉措為無功補償創(chuàng)造了有利條件。歷經(jīng)停產(chǎn)檢修1個月左右的低用電負荷運行實踐，變電站電力后臺系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示總功率因數(shù)始終維持在0.9以上，當期電費結(jié)算功率因數(shù)為0.93，達到了預(yù)期目標，降低了生產(chǎn)成本，說明制定的供電方案是可行的，同時為今后節(jié)能降耗工作開辟了一條嶄新的思路。