低壓自動無功補償裝置的設(shè)計應(yīng)用

陳遠(yuǎn)輝

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東廣州 510630；2.廣州市金王機械設(shè)備有限公司，廣東廣州 510700）

0 引言

某單位1#和2#機加工車間是相鄰的兩間廠房，中間區(qū)域布置低壓配電柜向兩側(cè)車間的機床供電，因此可以最大限度地縮短從低壓配電柜向兩個車間的供電距離。

廠區(qū)里幾個公司均靠同一變電站10/0.4 kV 配電變壓器供電，1#和2#機加工車間與變電站相距500 m 左右，設(shè)計安裝的并聯(lián)電容補償裝置的負(fù)荷及供電位置示意如圖1 所示。在沒有裝設(shè)電容補償裝置前，在機加工車間正常工作時段對功率因數(shù)及電壓進行實際測量，從低壓配電柜輸出的電壓明顯偏低，實際測量的線電壓通常在332～348 V，功率因數(shù)cosφ 在0.5～0.6，直接導(dǎo)致車間內(nèi)平面磨床的充退磁控制裝置因為觸發(fā)低電壓保護而頻繁跳閘停機。

圖1 機加工車間供電示意

通過分析發(fā)現(xiàn)，機加工機床的工作過程幾乎都是通過三相異步電機做功實現(xiàn)的，在配電系統(tǒng)消耗的無功功率中，異步電機約占70%，變壓器約占20%，線路約占10%[1]。因此兩個機加工車間工作時存在大量的感性動力負(fù)荷，由于電力網(wǎng)絡(luò)中的電能損失與功率因數(shù)值的平方成反比，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)電力損耗增加。功率因數(shù)過低，又導(dǎo)致供電線路的電壓急劇下降，使得用電設(shè)備的運行條件惡化[2]。為了提高低壓配電柜的輸出電壓，提高用電功率因數(shù)及減少輸電線路損耗，必須在車間低壓配電系統(tǒng)中增加無功補償裝置。

1 無功補償裝置類型及系統(tǒng)組成

1.1 無功補償裝置類型比較

無功補償裝置也可稱無功電源，主要類型有：

（1）同步發(fā)電機。工作時既產(chǎn)生有功功率，也輸出無功功率。

（2）同步電動機。同步電動機運行時不吸收無功功率，超前運行時則輸出無功功率。

（3）同步調(diào)相機。構(gòu)造上與同步發(fā)電機相似，由于其維護等方面比較復(fù)雜，目前基本上已淘汰。

（4）并聯(lián)電容補償裝置。是目前電力用戶采用無功補償?shù)闹饕绞?，適用于110 kV 及以下的電壓等級。

（5）靜補裝置和串聯(lián)補償裝置。靜止補償器發(fā)出的無功可在感性和容性之間調(diào)節(jié)，目前在光伏發(fā)電中有應(yīng)用，串聯(lián)補償主要用在長距離的高壓輸電線路中。

（6）并聯(lián)電抗補償裝置。一般應(yīng)用在220 kV 以上的電網(wǎng)中。

綜合以上分析，需要設(shè)計一臺低壓（380 V）并聯(lián)電容無功補償裝置與低壓配電柜配套使用。

1.2 并聯(lián)電容補償裝置系統(tǒng)組成

1.2.1 裝設(shè)位置

在電力系統(tǒng)中，并聯(lián)電容器的補償方式主要有三種：高壓集中補償、低壓集中補償和分散就地補償。高壓側(cè)補償電容器一般采用星形接法，低壓側(cè)補償電容器一般為三角形接法，如圖2 所示。

圖2 并聯(lián)電容器無功補償裝設(shè)位置

設(shè)計給機加工車間低壓配電柜配套的無功補償裝置屬于圖2 中最末段的分散就地補償方式，它具有補償范圍大、效果好的優(yōu)點，主要應(yīng)用于負(fù)荷平穩(wěn)、設(shè)備長期運轉(zhuǎn)的場合。

1.2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

低壓自動無功補償裝置系統(tǒng)框圖如圖3 所示，通過控制器的輸入端檢測到車間低壓配電柜進線端三相電壓和線電流后，送入中央處理器CPU 進行計算處理，根據(jù)目標(biāo)功率因數(shù)自動接通投切開關(guān)，完成對并聯(lián)電容器組的自動投切，同時可將電壓、電流、頻率、補償后的功率因數(shù)等數(shù)據(jù)上傳至上位機。

圖3 低壓自動無功補償系統(tǒng)框圖

2 并聯(lián)電容裝置補償容量計算

根據(jù)車間內(nèi)最大使用負(fù)荷Pc，無功補償前的功率因數(shù)cosφ1，cosφ2為要求補償后達(dá)到的功率因數(shù)。補償電容容量由計算式Q=Pc（tanφ1-tanφ2）確定[1]，為簡化計算，將公式作如下推導(dǎo)：

由于補償前車間的電壓和功率因數(shù)明顯偏低，補償電容可以按式（1）最大負(fù)荷的補償容量進行計算，將補償前的功率因數(shù)cosφ1=0.5 及要求補償后需要達(dá)到的功率因數(shù)cosφ2=0.9 代入式（1）進行計算，補償容量計算值為Q。

無功補償容量選用電容器的總?cè)萘繛?25 kvar，把電容器分為5 個回路，選擇電容器的額定電壓為450 V 的自愈式低壓并聯(lián)電容器，容量分別為30 kvar（2 個），25 kvar（2 個），15 kvar（1 個）。

3 并聯(lián)電容補償裝置電氣接線

3.1 無功補償裝置主電路

并聯(lián)電容器各分組回路可采用直接接入母線、并經(jīng)總回路接入變壓器的接線方式，也可以采用設(shè)置電容器專用母線的接線方式[3]。此處設(shè)計的并聯(lián)電容器補償裝置屬于車間現(xiàn)場的分散就地補償方式，補償電容屏母線排電源從車間低壓配電柜的總進線端母線引入。補償電容屏主電路構(gòu)成如圖4 所示，主要電氣元件包括隔離開關(guān)QS、電流互感器TA、避雷器FV、接地開關(guān)OG、斷路器QF、接觸器KM、電抗器L 及并聯(lián)電容器組C。

圖4 補償電容屏主電路原理

電路中各元件的主要作用：①隔離開關(guān)QS：設(shè)備檢修時用來隔離有電和無電部分，斷開電路時有明顯的斷開點，隔離開關(guān)嚴(yán)禁作為負(fù)荷開關(guān)使用，應(yīng)與斷路器配合使用；②電流互感器TA：檢測無功補償電容屏的電流；③斷路器QF：對電容器進行短路及過電流保護；④接地開關(guān)OG：僅檢修時合上開關(guān)接地，保護人身安全，正常工作時開關(guān)應(yīng)該斷開；⑤避雷器FV：對電路的過電壓進行保護；⑥接觸器KM：對各個回路的電容器作頻繁投切動作的開關(guān)器件；⑦電抗器L：限制電容器的涌流及抑制電網(wǎng)中的諧波，提高電能質(zhì)量。

3.2 自動無功補償裝置控制電路

功率因數(shù)控制器的接線原理如圖5 所示，它能夠根據(jù)設(shè)置的功率因數(shù)閾值，對5 個回路的電容器進行自動循環(huán)投切，其采樣電流必須是機加工車間低壓配電柜的總進線端電流，采樣電壓和電流不同相位，相關(guān)數(shù)據(jù)可通過通信接口上傳至上位機監(jiān)控。

圖5 功率因數(shù)控制器接線原理

3.3 電容補償柜的自動投切運行

用于無功補償?shù)牟⒙?lián)電容器總?cè)萘繛?25 kvar，共分為5個回路，5 個電容器并聯(lián)按容量排列依次為30 kvar、30 kvar、25 kvar、25 kvar、15 kvar，圖5 中的KM1～KM5 是分別對應(yīng)這5 個電容器的投切開關(guān)。

并聯(lián)電容器投切開關(guān)按KM1～KM5 順序依次投入運行，當(dāng)檢測到功率因數(shù)滯后（感性）且小于0.85 時，并聯(lián)電容器依次投入運行，當(dāng)檢測到功率因數(shù)滯后（感性）且大于0.94 時或檢測到功率因數(shù)超前（容性）時，將并聯(lián)電容器依次切除，為防止由于負(fù)荷的波動造成投切開關(guān)的頻繁通斷，進而產(chǎn)生投切振蕩，需設(shè)置一段延時時間（建議不少于15 s），如果觸發(fā)投切事件后在設(shè)定的延時段內(nèi)又進入非投切事件，則取消此次投切動作。

3.4 經(jīng)濟效益分析

兩個機加工車間在并聯(lián)電容補償裝置投入前功率因數(shù)和電壓偏低，補償前電流380 A；補償后功率因數(shù)增至0.9 以上，低壓配電柜輸出電壓380 V、電流210 A，從變電站到車間低壓配電柜架空線路上減少的功率損失ΔP=3×ΔI2×R=3×（380-210）2×0.07=6069 W=6.07 kW，廠區(qū)內(nèi)電價約1 元/kW·h，電容補償裝置投資為每千瓦約60 元，計算投資收回天數(shù)為51 d，此低壓并聯(lián)電容補裝置運行51 個工作日后即可收回投資成本。

4 結(jié)語

整套自動無功補償裝置自2018 年2 月投入運行以來，期間除了進行正常的維護保養(yǎng)外，運行至今一直處于正常工作狀態(tài)。補償裝置在與車間低壓配電柜配套運行后，實際測量的功率因數(shù)均達(dá)到0.9 以上水平，低壓配電柜的輸出電壓均保持在三相380 V 以上，徹底消除了此前的機床設(shè)備由于低壓保護所造成的頻繁跳閘故障，改善了電壓質(zhì)量，同時由于電壓的提升，使輸電線路上的電流減小，減少了廠區(qū)內(nèi)輸電線路上的有功功率損耗，此方法投資少、見效快，既保證了車間內(nèi)設(shè)備安全可靠運行，又可以使企業(yè)節(jié)省電耗，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。