CGY型高壓自動無功補償在福興礦的設計應用

孫偉 孔濤

（福興集團，山東棗莊 277300）

CGY型高壓自動無功補償在福興礦的設計應用

孫偉 孔濤

（福興集團，山東棗莊 277300）

文章介紹了諧波對供電線路、電氣設備的危害、諧波治理標準和諧波的抑制措施，以及無功補償的原理及必要性，通過運行技術數據對比，自動根據負荷進行無功跟蹤補償將功率因數提高達0.96以上，根據電業局無功力率考核取得了良好的經濟效益，并降低電壓的畸變，消除了諧波對系統的干擾，提高礦井供電系統的穩定性。

CGY型高壓 自動無功補償 福興礦 設計應用

1　諧波公害及抑制措施

1.1諧波的危害

諧波對電力系統的危害總體概括為以下幾個方面：

（1）對供電線路的危害。1）影響線路的穩定運行。大部分供配電系統的電力變壓器和電力線路均采用電磁繼電器、感應式繼電或晶體管繼電器檢測保護，在故障情況下，以確保線路和設備的安全。但電磁繼電器和感應繼電器由于諧波含量高容易導致繼電保護誤動作，因此，在諧波影響下不能充分有效地保護。晶體管繼電器有很多優勢，但由于采用了整流采樣電路，易受諧波影響，產生誤動作或拒動作。通過這種方式，諧波對供配電系統的穩定和安全運行造成嚴重威脅。2）影響電網的質量。電力系統中的諧波會使電網電壓和電流波形的畸變。如民用配電系統中性線，因為負載如熒光燈、調光燈，電腦，會產生大量的諧波，其中三次諧波甚至高達40%；三相配電線路，相線的三整數次諧波疊加在中性線上將使中性線當前值可能超過相線電流。此外，相同頻率的諧波電壓和諧波電流產生諧波有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，電網容量的浪費。

（2）對電氣設備的危害。

表1　公用電網諧波電壓限值（相電壓）

表2　注入公共連接點的諧波電流允許值

1）對電力電容器的危害。電網存在諧波時，投入電容其端電壓的增加，電容電流增加，電容損耗功率增加。膜紙復合介質電容器的諧波損耗功率允許為沒有諧波損耗功率的1.38倍，全膜電容器諧波損耗功率允許為沒有諧波損耗功率的1.43倍時，諧波含量較高，但如果超過電容器允許的條件，將使電容器過電流和過載，損耗功率超過上述值，異常發熱，電容器在電場和溫度的作用下絕緣加速老化。特別是電容器在電網的電壓畸變，也加劇了電網諧波，諧波發生擴大現象。此外，諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，峰值電壓波在介質中的引起局部放電的，其電壓變化率大，局部放電強度大，加速了絕緣介質老化，縮短了電容器的使用壽命。電壓每上升10%，電容器壽命縮短的一半左右。此外，在諧波嚴重情況下，會導致電容器鼓肚、破裂或爆炸。

2）對電力變壓器的危害。諧波使變壓器的銅損增加，包括導體電阻損耗，導體的渦流損耗和外部漏通量引起的雜散損耗均會增加。諧波也會使變壓器的鐵損增加，這主要表現在鐵心的磁滯損耗增加，諧波使電壓波形變得越糟，磁滯損耗越大。上述兩個方面的損失增加，降低了變壓器的實際使用能力，需要考慮在選擇變壓器額定容量時預留的電網諧波含量。此外，諧波也引起變壓器噪聲增加，變壓器噪聲的振動主要是由于磁致伸縮的鐵心，隨著諧波次數的增加，振動頻率在1 KHZ成分使混合噪音增加，有時還發出金屬的聲音。

3）對電力電纜的危害。高頻諧波頻率增加，加上電纜導體橫截面積增大，趨膚效果更加明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使電纜所允許電流降低。此外，電纜的電阻、系統母線側及線路感抗與系統串聯，提高功率因數用的電容器及線路的容抗與系統并聯，在一定數值的電感與電容下可能發生諧振。

4）對危害電氣設備。對電動機的危害： 諧波對異步電動機影響，主要是提高電動機的附加損耗，降低效率，嚴重時使電機過熱。尤其是負序諧波形成電機負序旋轉磁場和電機旋轉方向相反力矩，制動效果，從而減少電動機的輸出。另外電機的諧波電流，當頻率接近某個部分的固有頻率會導致電動機的機械振動發出很大的噪音。

5）對低壓開關設備的危害。配電斷路器、電磁類型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵損耗和發熱增加，同時由于電磁鐵和渦流效應的影響使脫扣困難，且諧振次數越高影響越大；熱磁斷路器，由于導體的集膚次應與鐵耗增加，導致發熱，額定電流與脫扣電流減少；電力斷路器，諧波還要使額定電流減少，特別是峰值檢測電路斷路器額定電流減少更多。因此，上述三種配電斷路器可能是由于諧波產生誤動作。對于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發熱，出現誤動作或不動作。對于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。

保險絲通常由熱熔片組合而成。對諧波流加熱效應引起的趨膚效應是非常敏感的，如果諧波含量大，熔絲容易破裂。

6）干擾弱電系統設備。對于計算機網絡、通訊、有線電視、報警、樓宇自動化和其他弱電設備，在電力系統中諧波通過電磁感應、靜電感應和傳導模式耦合到系統中，產生干擾。電感應和靜電感應耦合強度與干擾頻率成正比，通過公共接地傳導耦合，存在許多不平衡電流入接地極，干擾弱電系統。

7）影響功率測量的準確性。目前用于電力測量儀表有電磁式和感應式，它們極易受到諧波的影響。特別是電能表（使用感應式），當諧波較大將產生計量混亂，測量不準。

1.2諧波治理的標準

隨著1994年3月1日國家技術監督局發布《電能質量 公用電網諧波》——GB/T14549-93國家標準的頒布實施，以法律的形式規定了供電系統的諧波限制及治理標準。電力部門對諧波的危害和治理的認識也得到進一步提高，積極創造條件對供電系統的諧波進行綜合治理。

（1）國家標準諧波電壓限制。國家標準GB/T 14549-9《3電能質量 公用電網諧波》規定的公用電網諧波電壓（相電壓）限值見表1所示。

（2）國家標準諧波電流允許值。國標中規定在核定基準短路容量下注入系統公共接點的各次諧波電流允許值見表2所示。

1.3諧波的抑制措施

根據以上分析對比，系統內的5次及以上諧波含量相對較高，解決方式是并聯無功補償裝置，在補償回路串入電抗率為6%的鐵芯電抗，這樣既補償了無功的同時，兼顧了對系統內諧波的抑制。

2　無功補償的原理和必要性

2.1無功補償的原理

電網輸出的功率包括兩部分；一是有功功率；二是無功功率.直接消耗電能，把電能轉變為機械能，熱能，化學能或聲能，利用這些能作功，這部分功率稱為有功功率；不消耗電能；只是把電能轉換為另一種形式的能，這種能作為電氣設備能夠作功的必備條件，并且，這種能是在電網中與電能進行周期性轉換，這部分功率稱為無功功率，如電磁元件建立磁場占用的電能，電容器建立電場所占的電能.電流在電感元件中作功時，電流超前于電壓90℃。而電流在電容元件中作功時，電流滯后電壓90℃.在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180℃.如果在電磁元件電路中有比例地安裝電容元件，使兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小，從而提高電能作功的能力，這就是無功補償的道理.

2.2無功補償的意義

（1）補償無功功率，可以增加電網中有功功率的比例常數。（2）減少發，供電設備的設計容量，減少投資，例如當功率因數cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95時，裝1Kvar電容器可節省設備容量0.52KW；反之，增加0.52KW.對原有設備而言，相當于增大了發，供電設備容量.因此，對新建，改建工程.應充分考慮無功補償，便可以減少設計容量，從而減少投資。（3）降低線損，由公式△P%=（1-cosΦ1/cosΦ2）X100%得出其中cosΦ2為補償后的功率因數，cosΦ1為補償前的功率因數則cosΦ2＞cosΦ1，所以提高功率因數后，線損率也下降了.減少設計容量，減少投資，增加電網中有功功率的輸送比例，以及降低線損都直接決定和影響著供電企業的經濟效益.所以，功率因數是考核經濟效益的重要指標，規劃、實施無功補償勢在必。

3　無功補償裝置設計

無功補償容量的計算式中

Qc-------------補償裝置容量（Kvar）

P--------------負荷功率（KW）

Cos1Ψ-------補償前的功率因數

Cos2Ψ-------補償后的功率因數

從測試數據來看，該段母線電壓可取平均值，電流可取當日負荷最大時的電流值，功率因數可按照日平均功率因數選取（P=UI Cos1Ψ），目標功率因數取0.98。將測量數據表中的數據代入上式可計算得出：Qc=2100.5KVAR，為了確保補償效果，該補償裝置預留20%左右的補償裕量，同時考慮到電容器在使用過程中自身的衰減，取Qc=2500KVAR。

另每日最小負荷時所需的無功容量也可經上式計算，取當日最小電流值，代入上式計算可得Qcmin=448KVAR，可取500KVAR。這樣母線可分3步進行投切，即500+1000+1000KVAR三步。并且在每一個補償回路里面串聯6%電抗器，以抑制5次以上諧波。

［1］GB/T 14549-93.《電能質量公用電網諧波》.2010.

［2］GB50227-95.《并聯電容器裝置設計規范》.2012.

［3］GB10229-88 .《串聯電抗器》.2014.

孫偉（1979—），男，工程師，現任福興集團有限公司機電礦長，從事煤礦機電管理等工作。孔濤（1985—），男，工程師，現任福興集團有限公司機電工程師，從事煤礦機電技術工作。