高壓無功自動補償裝置的合理選型與應用

李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司，山東濟南250101）

供用電

高壓無功自動補償裝置的合理選型與應用

李兆華

（山東鋼鐵股份有限公司濟南分公司，山東濟南250101）

通過對4條供電線路功率因數偏低的分析，設計確定了補償方案，并研究解決了無功補償中的涌流及限制、諧波及防護、過電壓及保護等技術難題，設備投運后4條供電線路的功率因數均達到0.95以上，取得了滿意的效果。

功率因數；負荷；補償容量;無功補償

1 前言

濟鋼總廠區高壓供電系統由8個總降壓區域變電站組成，各區域變電站下設多個10 kV/6 kV變電所及多套發電機組，主變總裝機容量96.3萬kVA；有8條110 kV電源進線、2條35 kV電源進線，分別來自濟南供電公司220 kV歷城變電站和韓倉變電站。二降壓輔站、七降壓4條供電線路功率因數＜0.9，嚴重影響供電系統的經濟運行。

2 現狀分析

（1）七降壓兩路110 kV電源分別來自歷城變電站、韓倉變電站，分段運行；三臺75 MVA主變壓器，運行兩臺，備用一臺，供出35 kV、10 kV電源至生產區域配電室。主要用電負荷為3200高爐、210 t轉爐、4300厚板軋機等，運行負荷最高12萬kW，平均5萬kW。軋機、精煉爐等沖擊負荷集中，運行負荷波動較大。4#TRT自35 kV并網運行，裝機容量為2.5萬kW。接線圖如圖1所示。

圖1 七降壓部分系統圖

隨著寬厚板區域的全面投產，用電負荷急劇增加，但由于接入電網的用電設備絕大多數是電感性負荷，自然功率因數低，降低有功功率的輸出，影響變電、輸電的供電能力；降低有功功率的容量；增加電力系統的電能損耗、增加輸電線路的電壓降等。電機和變壓器中的磁場靠無功電流維持，輸電線中的電感也消耗無功，從而七降壓的歷鋼II線功率因數過低。

（2）二降壓輔站兩路35 kV電源均來自歷城變電站，分段運行；兩臺3.15萬kVA主變壓器，供出10 kV電源至生產區域配電室。主要用電負荷為6#~9#焦爐、350高爐除塵風機、120 m2燒結等，運行負荷最高4萬kW，平均3萬kW。150 t干熄焦發電通過35 kV并網運行，裝機容量2.5萬kW。接線圖如圖2所示。

圖2 二降壓輔站部分系統圖

目前運行中的二降壓輔站，在10 kV各段設立了電容器無功補償裝置（兩套計八組電容器），但由于設備運行時間較長，已部分故障損壞停止運行，但都很難實現自動切換補償功能。

3 方案確定

為了更好的達到項目的目的，提出了四套設計方案進行比對。

（1）高壓分散補償。高壓分散補償實際就是在單臺變壓器高壓側安裝的，用以改善電源電壓質量的無功補償電容器。

（2）高壓集中補償。高壓集中補償是指將電容器裝于變電站或用戶降壓變電站6 kV~10 kV高壓母線的補償方式：電容器也可裝設于用戶總配電室低壓母線，適用于負荷較集中、離配電母線較近、補償容量較大的場所。用戶本身又有一定的高壓負荷時，可減少對電力系統無功的消耗并起到一定的補償作用。其優點是易于實行自動投切，可合理地提高用戶的功率因數，利用率高，投資較少，便于維護，調節方便可避免過補，改善電壓質量。

（3）低壓分散補償。低壓分散補償就是根據個別用電設備對無功的需要量將單臺或多臺低壓電容器組分散地安裝在用電設備附近，以補償安裝部位前邊的所有高低壓線路和變壓器的無功功率。其優點是用電設備運行時，無功補償投入，用電設備停運時，補償設備也退出。可減少配電網和變壓器中的無功流動從而減少有功損耗：可減少線路的導線截面及變壓器的容量，占位小。缺點是控制薄弱，對上級總降壓站的補償能力低。

（4）低壓集中補償。低壓集中補償是指將低壓電容器通過低壓開關接在配電變壓器低壓母線側，以無功補償投切裝置作為控制保護裝置，根據低壓母線上的無功符合而直接控制電容器的投切。低壓補償的優點：接線簡單、運行維護工作量小，使無功就地平衡，從而提高配變利用率。降低網損的經濟性高，但難以集中管理，對上級總降壓站的補償平衡能力低。

通過四種方案的比較，結合項目實施的目的和經濟分析，決定選擇第（2）種方案。

4 補償系統的計算與設計

通過對當前基本技術指標的分析，對系統補償功率進行計算，并對補償前后的效益進行初步估算，以二降壓輔站10 kVⅡ段為例進行分析。

一次配電電壓Un=10 kV

總額定有功功率Pn=30000 kW

設備平均開動率Kx≈70%

4.1 配電變電所計算負荷

有功功率：Pj=Kx×Pn=21000 kW

無功功率：Qj=Pj×tg1=18520.26 kvar

4.2 負荷側補償容量計算

按改善功率因數確定負荷側補償容量的方法簡單、明了。其計算公式如下：

式中，Qcf——從功率因數cos1補償到cos2所需無

功功率容量，kvar；

將所有已知參數代入公式（1），可得負荷側補償容量：

Qcf=21000×{[（1/0.892）2-1]1/2-[（1/0.95）2-1] 1/2}＝21000×（0.882-0.484）=43358 kvar

4.3 配電變壓器補償容量計算

變壓器屬于電力系統感性元件，運行時也要消耗無功功率，而且，越是空載或者輕負荷時其功率因數越低。所以，配電變壓器同樣需要進行無功補償，補償容量可按下式計算：

由于采用式（2）計算補償容量，需要知道配電變壓器的具體參數，計算起來不是很方便。一般采用按變壓器額定容量的5%～10%經驗估算法進行計算，而且，由于補償設備通常采用自動跟蹤補償方式，補償容量一般確定為變壓器額定容量的10%。

設配電變壓器容量等于計算視在功率Sj，則：QcT=Sj×10%=48000×10%=4800 kvar

4.4 總補償容量計算

系統總補償容量等于負荷補償容量與配變補償容量之和，即：

將計算結果代入式（3），得：

Qc=43358+4800=48158 kvar

以上計算的總補償容量為實際補償容量，如果考慮抑制諧波所增加的串聯電抗器，或者提高電容器安全運行系數，電容器的額定電壓勢必提高；所以，補償設備的安裝容量要大于實際補償容量。

4.5 動態無功補償的實現

動態無功補償的實現就是根據無功電流(或功率)需求，計算其中基波電流(或功率或電抗)參考值，若裝置的參考輸入為無功電流需求，實時測得FC支路的電流有效值，則其支路電流的參考值即為前者減去后者。功率計算通過數據采集板(DAS)、數據處理板(DSP)、電源模塊、驅動模塊等完成。晶閘管的通過對電抗器的輸出電流的控制。動態無功補償系統，先采集系統的電壓量、電流量、接觸器位置，計算出系統的功率因數。

計算公式：QC≥P×（tanα1-tanα2）

式中，P——最大負荷月的平均功率；

補償前的功角α1=arccosα1；

補償后的功角α2=arccosα2。

根據實際功率因數給出控制信號，通過計算出需要補償的無功量，動態無功補償裝置自動對電容器柜進行分合，動態滿足無功總量，確保功率因數始終大于0.95。

通過計算：分別對二降壓輔站I、II段10 kV母線各加裝一套5 Mvar無功補償裝置，按照2.5 Mvar+1.5 Mvar+1 Mvar三級自動投切控制；七降壓10 kVI段、II段母線，分別配置10 Mvar無功補償裝置各一套，按3 Mvar+3 Mvar+2 Mvar+2 Mvar四級自動投切控制，10 kV系統III段，配置9 Mvar無功補償裝置一套，按3 Mvar+2 Mvar+2 Mvar+2 Mvar四級自動投切控制。

改造后，4條供電線路功率因數確保平均≥0.94。

圖3 無功補償一次系統圖

5 技術難點

5.1 無功補償中的涌流及限制

運行中為了適應電力系統無功功率和電壓變化而需要頻繁地操作電容器組，當電容器組投入電網時，將會產生幅值很大和頻率較高的沖擊合閘涌流。涌流的持續時間一般小于10 ms。一般變電站單組電容器組合閘涌流低于10倍，最高可達20多倍，頻率約為250~4000 Hz。大涌流會使開關觸頭熔化并燒損，當涌流超過開關的最大開合電流時，還會產生過大的電動力和內部壓力而使開關損壞;高頻涌流超過電容器所允許的涌流極限時，將加速絕緣老化或游離放電，還會使電流互感器一、二次繞組產生過電壓而擊穿絕緣。為了限制涌流，采取在電容器回路中加串聯電抗器或開關加裝并聯電阻的措施。選用電抗值在0.1%~1%內的小電抗器。

5.2 諧波及防護措施

電網中有電壓和電流兩種高次諧波源。電壓諧波主要是來自發電機的非正弦電壓波形，電流諧波主要來自電路中的非線性阻抗元件，如鐵芯飽和的主變壓器、整流設備、可控硅和電弧爐等非線性元件引起的電流畸變，相應地產生電壓畸變。諧波的防護措施主要有：

（1）將發生諧波的設備接到短路容量大的電網，以減少對地區電網的影響；

（2）整流裝置采用多相整流，減少諧波分量；（3）加裝交流濾波器；

（4）在電容器回路中，加裝串聯電抗器，使電容回路對諧波頻率阻抗呈感性，從而抑制諧波分量。在為限制合閘涌流和抑制高次諧波的情況下，抑制5次波為主時，選擇6%的電抗器;抑制3次諧波為主時，選擇12%的電抗器。

5.3 過電壓及保護措施

電容器的允許過電壓和保護措施是電容器輸出的無功功率和其有功損耗的與運行電壓的平方成正比。當電壓超過允許值時，將使電容器過負荷發熱而影響其壽命。電容器允許在1.1倍額定電壓下連續運行。在電容器組設計安裝中，應裝設過電壓繼電保護，將運行電壓限制在1.1倍額定電壓以下。

充分發揮并聯補償裝置的調壓作用，電容器組就必須隨著電壓及負荷的變動進行頻繁投切，在開斷容性負荷時，由于電容器極板上仍殘留電荷，開關觸頭有可能承受2倍的額定電壓峰值過電壓，當開關觸頭弧隙絕緣恢復的速度低于恢復電壓增長的速度時，則開關弧隙將被擊穿而發生重燃，從而產生較高的過電壓。重燃過電壓及其防護措施有：采用開斷電容電流性能良好，具有不重燃特性的高壓開關；采用無火花間隙的氧化鋅避雷器。

6 應用效果

2013年3月底投運以來，4~6月份二降壓輔站歷鐵I線、歷鐵II線，七降壓歷鋼II線、韓鋼III線四條進線功率因數均提高至0.95以上，獲濟南市供電公司功率因數獎勵252萬元，平均84萬元/月。

Rational Selection and App lication of High Voltage W attless Automatic Com pensation Device

LI Zhaohua
(JinanBranchofShandongIronandSteelCo.,Ltd.,Jinan25010,China)

Through analysis of low power factors of 4 power supply lines the compensation design was determined and technical problems such as surging and limitation,harmonic and protection and over-voltage and protection in wattless power compensation were studied and solved.After the device was put into operation,power factors in the 4 lines have reached 0.95 or more,bringing satisfactory results.

power factor;load;compensation capacity;wattless power compensation

TM 714.3

B

1006-6764(2014)02-0001-03

2013－11－05

李兆華（1966－），女，1987年畢業于山東工業大學電機專業，本科學歷，高級工程師，現從事能源開發應用及設備管理工作。