提高鋼鐵廠變電站無(wú)功補(bǔ)償效果的措施分析

姚晉瀚

【摘 要】科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得各種各樣的電氣設(shè)備不斷投入使用，而這些設(shè)備中存在著許多電容性荷載和電感性荷載，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的無(wú)功功率，其對(duì)于供用電會(huì)產(chǎn)生一定的不良影響，如降低有功功率輸出、降低電能質(zhì)量、影響設(shè)備容量的充分發(fā)揮等。因此，做好無(wú)功補(bǔ)償工作是非常重要的。本文對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾饔眠M(jìn)行了分析，并以某鋼鐵廠為例，對(duì)其110kV變電站二期工程的無(wú)功補(bǔ)償效果的提升策略進(jìn)行了研究和討論，希望能夠促進(jìn)企業(yè)電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高。

【關(guān)鍵詞】鋼鐵廠變電站 無(wú)功補(bǔ)償 補(bǔ)償效果 措施

工業(yè)化進(jìn)程的加快，帶動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也使得社會(huì)生產(chǎn)生活對(duì)于電力的需求越來(lái)越大，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而從目前來(lái)看，由于電容性荷載和電感性荷載的存在，使得電力系統(tǒng)中存在著流動(dòng)于電容元件和電感元件之間的無(wú)功功率，影響供電質(zhì)量。因此，對(duì)于變電站而言，必須將解決無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，改善電能質(zhì)量作為工作中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾饔?/p>

在電力系統(tǒng)中，輸出的功率包括了直接消耗電能，并將其轉(zhuǎn)化為其他能量形式然后利用其作功的有功功率，以及不消耗電能，僅僅將電能轉(zhuǎn)換為另外一種形式，能夠在電網(wǎng)中與電能進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率。而無(wú)功補(bǔ)償，主要是將具備容性功率負(fù)荷的設(shè)備與感性功率負(fù)荷在同一個(gè)電路中實(shí)現(xiàn)并聯(lián)，使得能量可以在兩種不同負(fù)荷間相互轉(zhuǎn)換，以容性負(fù)荷輸出的無(wú)功功率對(duì)感性負(fù)荷所需的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償[1]。無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x和作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）改善功率因數(shù)：提升供用電系統(tǒng)以及負(fù)載的功率因數(shù)，降低設(shè)備的容量，從而有效減少功率的損耗。

（2）改善電壓調(diào)節(jié)：在電力系統(tǒng)中，負(fù)載自身對(duì)于無(wú)功功率需求的變化，會(huì)引起供電電壓的變化，如果從電源端對(duì)這種變化進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能會(huì)導(dǎo)致各種各樣的問(wèn)題。而通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償，可以對(duì)電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，將其維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，保證供電質(zhì)量。

（3）調(diào)節(jié)負(fù)載平衡：電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)三相不對(duì)稱運(yùn)行的情況，引發(fā)負(fù)序、零序分量，進(jìn)而導(dǎo)致附件損耗，引起變壓器飽和等問(wèn)題。在這種情況下，通過(guò)相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償，能夠?qū)⒉黄胶庳?fù)載變?yōu)槠胶庳?fù)載，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 鋼鐵廠電網(wǎng)運(yùn)行中存在的原因

在鋼鐵廠生產(chǎn)中，軋機(jī)是一個(gè)非常關(guān)鍵的設(shè)備，其功率因數(shù)通常都比較低，在0.6-0.7之間，具有速度快、工作周期短的特點(diǎn)，因此其對(duì)于電網(wǎng)的負(fù)荷屬于沖擊性負(fù)荷，存在著較大的無(wú)功波動(dòng)。不僅如此，一些大功率的軋機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，一些照明燈、顯示器等會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象，容易引發(fā)工作人員的視覺(jué)疲勞，產(chǎn)生煩躁情緒，影響工作質(zhì)量。同時(shí)，還可能會(huì)對(duì)一些精密設(shè)備造成影響，甚至引發(fā)嚴(yán)重的質(zhì)量事故。不僅如此，軋機(jī)在工作狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生一些高次諧波，引發(fā)電網(wǎng)電壓畸變，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)、發(fā)熱等現(xiàn)象，在增大損耗的同時(shí)，也會(huì)縮短設(shè)備自身的使用壽命。針對(duì)這些問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)人員需要在變電所內(nèi)，增設(shè)相應(yīng)的電容器組，同時(shí)在電容器回路中進(jìn)行電抗器的串聯(lián)，在提高功率因數(shù)的同時(shí)，對(duì)諧波電流進(jìn)行抑制，從而減少線損，提高企業(yè)的電能質(zhì)量[3]。

3 提高變電站無(wú)功補(bǔ)償效果的措施

3.1概況

某鋼鐵廠在對(duì)110kV變電所一期工程進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)的過(guò)程中，考慮自身的實(shí)際生產(chǎn)需求，設(shè)置了一臺(tái)容量為50000kVA的主變，同時(shí)在10kV母線上設(shè)置容量為5010kvar的電容器，將母線的功率因數(shù)由原本的0.72提高到了0.98，同時(shí)以串聯(lián)的方式，加入了12%電抗百分率的空心電抗器，實(shí)現(xiàn)對(duì)一些典型高次諧波的抑制。電容器組的出現(xiàn)開(kāi)關(guān)采用普通真空斷路器，型號(hào)為ZN28-12。并聯(lián)電容器裝置的接線圖見(jiàn)圖1。

圖1 并聯(lián)電容器裝置的接線圖

3.2存在問(wèn)題

在一期工程中，由于一次性投切的容量偏大，在電容器投運(yùn)后，會(huì)產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，電壓的升高使得保護(hù)裝置容易出現(xiàn)誤動(dòng)的情況。而如果退出電容器組，電力系統(tǒng)的功率因數(shù)將無(wú)法達(dá)到電力部門的相關(guān)要求。同時(shí)，在生產(chǎn)過(guò)程中，負(fù)荷的變化較大，需要對(duì)電容器組進(jìn)行頻繁投切，導(dǎo)致了人力、物力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

3.3無(wú)功補(bǔ)償效果提升策略

在不斷的發(fā)展過(guò)程中，鋼鐵廠的生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)大，相應(yīng)的用電量也大大增加，對(duì)此，企業(yè)管理人員決定對(duì)110kV變電所進(jìn)行二期工程的增容改建，增加了兩臺(tái)50000kVA容量的主變，在10kV母線上也增加了兩組容量為10020kvar的電容器組。

在對(duì)二期工程進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員對(duì)一期工程中存在的問(wèn)題進(jìn)行了全面細(xì)致的分析，最終將電容器組分成了容量為2004kvar的5組，以串聯(lián)的方式連接了電抗百分率為12%的空心電抗器。為了保證無(wú)功補(bǔ)償效率，額外設(shè)置了一臺(tái)電壓無(wú)功綜合控制器，能夠?qū)δ妇€電壓以及無(wú)功需求進(jìn)行分析，對(duì)負(fù)荷的變化情況進(jìn)行跟蹤，根據(jù)具體情況確定需要投切的電容器的組數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于電容容量的合理調(diào)控，確保無(wú)功平衡，改善功率因數(shù)。

具體來(lái)講，在二期工程中，等容分組是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要是將容量一定的電容器Q平均分為n組，每一組的容量就是電容器的調(diào)整容量變化梯度，大小均為Q/n。在實(shí)際應(yīng)用中，分組越多，容量變化梯度越小，則補(bǔ)償精度也就越高[5]。而且，在進(jìn)行等容分組電容器的投切操作時(shí)，是連續(xù)無(wú)間斷的，因此對(duì)于電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊較小，基本上不會(huì)引發(fā)電壓的劇烈波動(dòng)。另外，電容器可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)投切，確保了開(kāi)關(guān)與電容器的合理利用，減少了故障發(fā)生的機(jī)率，在減輕工作量的同時(shí)，也能夠延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

對(duì)于一期工程中存在的出線開(kāi)關(guān)由于頻繁投切而損壞的問(wèn)題，在二期工程設(shè)計(jì)，技術(shù)人員對(duì)投切電容負(fù)荷開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)：

（1）涌流問(wèn)題：在電容器投入的瞬間，會(huì)產(chǎn)生頻率在250-4000Hz的涌流，其大小受系統(tǒng)電源阻抗以及電容器容量的影響，而即使是單獨(dú)一組電容器的合閘涌流，也達(dá)到了額定電流的5-15倍。當(dāng)多組電容逐級(jí)投入時(shí)，合閘涌流會(huì)持續(xù)追加，達(dá)到電容器額定電流的25-250倍，而即使設(shè)置相應(yīng)的串聯(lián)電抗器，合閘涌流仍然超過(guò)額定電流數(shù)倍以上。

（2）過(guò)壓?jiǎn)栴}：電容器屬于一種儲(chǔ)能元件，當(dāng)其在電網(wǎng)中并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，會(huì)隨著交流電的周期變化進(jìn)行充放電。而在分閘的瞬間，電容器存儲(chǔ)了一定的能量，同時(shí)兩端都保持了交流電的瞬時(shí)電壓，如果分閘操作恰好處于交流電正負(fù)半周的峰值，則分閘后電容器所保持的電勢(shì)與電網(wǎng)交流電峰值會(huì)共同在開(kāi)關(guān)觸頭的間隙上疊加，在不考慮其他因素的情況下，開(kāi)關(guān)觸頭間隙的電壓將會(huì)達(dá)到額定電壓的2-3倍。一般來(lái)講，電容器都會(huì)串聯(lián)相應(yīng)的電抗器，分閘瞬間會(huì)帶有比較復(fù)雜的振蕩，因此疊加在開(kāi)關(guān)觸頭間隙上的電壓可能更大。而如果開(kāi)關(guān)觸頭間隙小，真空度低，絕緣耐壓不足，則可能會(huì)發(fā)生重?fù)舸┑膯?wèn)題，引發(fā)惡性循環(huán)。

（3）頻動(dòng)：在自動(dòng)補(bǔ)償裝置中，高壓開(kāi)關(guān)每天可能需要分合數(shù)次乃至十?dāng)?shù)次，動(dòng)作相當(dāng)頻繁。

由上述分析可知，在對(duì)投切電容開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇時(shí)，首先必須確保觸頭具備較大的壓力，能夠承受合閘涌流的沖擊，以避免觸頭燒損；其次，應(yīng)該保證觸頭間隙適中，足以承受分閘時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，避免重燃問(wèn)題；然后，應(yīng)該選擇適合頻繁動(dòng)作的高壓開(kāi)關(guān)，一期工程中的ZN28-12型真空斷路器更換為ZN12-12型電容器投切占用的真空開(kāi)關(guān)，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行有效解決，提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

4 結(jié)語(yǔ)

在二期工程建設(shè)完成后，該鋼鐵廠在運(yùn)行過(guò)程中，電能質(zhì)量得到了有效保證，二期工程采用的并聯(lián)補(bǔ)償裝置等容分組設(shè)計(jì)取得了預(yù)期的補(bǔ)償效果，保證了企業(yè)生產(chǎn)的正常進(jìn)行，取得了非常顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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