無功補償技術在鐵礦變電系統中的應用

摘 要：針對不同的電壓等級及設備分布采用PLC控制集中補償和分散補償就地平衡的方法，較好的解決了系統功率因數變化較大帶來的負面效應。

關鍵詞：無功補償；PLC；電容器；功率因數

1 公司供電系統概述

富全礦業35kv變電站有兩臺10000KVA主變壓器，運行方式為一臺運行一臺備用，主變一次側35kv，二次側10kv。10kv中壓系統為單母線分段運行的方式。另外井下設10KV變電站一處，運行方式同井上10KV系統。供配電系統為35KV、10KV、0.4KV三級供電網絡，各級供電系統比較分散，主要負荷有大容量感應電動機及同步電動機，不同時段及不同供電地點功率因數差別較大。電網公司要求用戶用電負荷母線功率因數必須在0.9以上，同時穩定的功率因數對供電系統及設備均有重要意義，所以選擇合理的無功補償方案尤為重要。

公司各級供電網絡功率因數情況：井上10KV系統共有中壓感應電動機負荷約2250KW，各電機運行負荷率變化較大，系統功率因數變化劇烈。中壓同步電機負荷約3750KW，運行時負荷穩定，能為系統提供大量無功功率。各級0.4KV供電系統存在大量感應電動機，且運行負荷率較低，功率因數在0.7-0.8之間，導致系統功率因數降低。

2 提高功率因數的意義

2.1 保持較高的功率因數，可以最大程度上減少壓降，改善各級供電系統電壓質量，提高供電系統的經濟性、穩定性及可靠性。由于公司一級負荷較多，對安全性要求較高，所以必須有穩定的供電系統才能保證公司生產的順利進行。

2.2 較高的功率因數可以提高設備利用率，使設備保持穩定工況運行，減少故障頻率。同時可以減少系統損耗，提高線路的供電能力，減少供電系統投資，增加經濟效益。

3 公司無功補償的措施

3.1 系統無功補償的原則

35KV變電站運行時感應負荷比較集中，故采用10KV系統集中補償方案，在變電站設八組補償電容器，每段母線為四組，每組補償容量為300KVar。對于各級低壓供電系統，由于比較分散且距離較遠，故而采用分散補償就地平衡原則，具體見附補償系統圖。（如圖1）

3.2 10KV系統補償方案

公司10KV負荷各時段及負荷種類變化較大，電容器的投切需根據負荷種類及運行時間及時變化。根據設備運行狀況可以分為以下三種情況：（1）在大容量同步電機運行時，母線無功消耗基本平衡，功率因數穩定在0.9以上，電容無需投入；（2）大容量感應電動機負荷率較高且運行穩定時，系統功率因數在0.8-0.9之間，需投入少量電容；（3）大容量感應電動機負荷率較低且運行不穩定及檢修狀態時，功率因數較低需大量投入電容，投切較為頻繁。原設計10KV系統電容器的投切完全由人工就地操作，負荷變化大導致對電容器的投切操作較為頻繁，容易造成設備損壞。

針對以上情況，公司根據設備現狀進行了相應的技術改造，增加了以工業以太網為基礎的西門子PLC控制系統及WINCC終端監控軟件，現場實時采集母線的功率因數上傳至PLC模塊，所有數據通過高速工業以太網傳至公司集控中心，操作人員可在終端WINCC軟件界面上實現遠程手動或自動投切電容。監控系統通過監控母線功率因數變化幅度，在保證供電電壓在允許變動范圍內的前提下及時調整投切電容數量。同時為避免負荷瞬時變化劇烈而造成電容頻繁投切，在程序中適當設置適當延時，最大程度上降低投切次數，降低電容故障率。自動投切流程見附圖。（如圖2）

3.3 0.4KV系統補償方案

公司0.4KV系統布局比較分散且距離較遠，采用PLC控制集中補償方案投資大，經濟性較差。同時在部分低壓變電所存在大量高容量變頻器，其運行時產生大量高次諧波，從而引起電網電壓畸變，使電能質量變差，嚴重時會對供電系統本身及設備造成損壞。針對以上情況，公司在0.4KV供電系統采用電容自動投切補償與MSVC型動態補償相結合的方式。對于使用變頻器較少且設備較少的低壓變電所采用電容自動投切的補償技術，利用接觸器與功率因數控制裝置相結合自動投切電容器組，實現無功功率就地補償就地平衡。該方式投資少，簡單有效。對于存在大量變頻器的低壓變電所則采用MSVC型動態補償方式，該補償電路由濾波電路和可控電抗器回路組成。濾波電路固定接在系統內，不隨補償回路投切，可實時消除系統產生的高次諧波。可控電抗器回路通過改變可控硅的導通角來改變電抗器容量，控制電抗器輸出電流。由于可控電抗器無需外接電源，自身調節性好，可控硅運行穩定，故而該補償方式較好的兼顧了系統的可靠性、投資經濟性和安全性。

4 無功補償應用效果

公司供電系統無功補償采用集中自動補償與就地補償相結合的補償方式達到了以下應用效果：

4.1 變電站集中補償，充分運用PLC控制技術與以太網傳輸技術，實現了無功補償系統與公司集控系統的完美結合，增加了系統運行的穩定性。

4.2 公司供電系統功率因數穩定保持在0.9以上，供電公司給公司的補償獎勵每年在20萬元左右。

4.3 消除了變頻器產生的高次諧波，保證了電能質量穩定，設備故障率明顯下降，各級變壓器及線路損耗下降，提高了變壓器運行效率。

4.4 無功補償系統實現遠程自動投切，提高了補償精度，減少了人為誤操作，保證了人身及系統安全。每年節省人力費用約為3000元/人/月*8人*12月=28.8萬元/年。

參考文獻

[1]文方，陳慕君.PLC在無功功率自動補償控制器中的應用[J].科技信息.

[2]西門子公司.西門子應用論文集[Z].2002.