無功補償裝置擴容后的效益分析

喬治崗，張征國，張小軍，李曉嬌

(陜西北元化工集團有限公司化工分公司，陜西 榆林 719319)

【供電與整流】

無功補償裝置擴容后的效益分析

喬治崗，張征國，張小軍*，李曉嬌

(陜西北元化工集團有限公司化工分公司，陜西 榆林 719319)

整流裝置；無功補償；擴容；效益分析

介紹了電容補償的原理，分析了陜西北元化工集團有限公司化工分公司供電系統的概況，提出了無功補償的方式，總結了增加高壓動態無功補償裝置后的改進效果：降低了電壓，減少了電纜發熱現象及電能、線路等損耗，提高了功率因數，并改造成根據功率因數自動切換，進而提高了設備的使用效率、供電效率和電路電壓的穩定性，減少了對電網的沖擊，改善了供電環境。

企業用電設備在使用時會產生有功功率和無功功率。無功功率過大，會導致功率因數降低，供電變壓器及輸送線路的損耗增大，供電效率變低。

1 電容補償原理[1]

配電柜電容補償的電容與負載是并聯連接的，由于電源本身存在內阻，當負載增大時，電源輸出電壓就會下降。電容的兩端要維持原來的電壓，將電容內的電量流出一部分，達到延緩電壓下降的目的。電容補償的目的就是解決電網無功容量不足、增裝無功補償設備、提高電網的功率因數，使電力系統安全運行。提高功率因數簡單實用的方法就是并聯電容器，產生電容電流抵消電感電流，將不做功的部分無功電流減小到可接受范圍內。補償無功后可以提高電壓、降低線損、減少電費支出、節約能源，增加電網有功容量傳輸、提高設備的使用效率，改善電路電壓的穩定性、減少對電網的沖擊，對電網降損節電、安全可靠運行有著極為重要的意義。

2 擴容前概況

北元集團化工分公司聚氯乙烯二分廠(以下簡稱“北元化工聚氯乙烯二分廠”)35 kV、10 kV供電系統都采用單母分段接線方式，現運行的10 kV電容電抗器額定容量144 kvar,額定電流138.5 A，并列運行4組電容，每組3個并列電容器，電容器額定容量為200 kvar，運行電流124 A，無功2 160 kvar。

北元化工聚氯乙烯二分廠用電負荷在7 000～9 000 kV·A。負荷在7 000 kV·A時，功率因數還可以維持在0.90左右；一旦負荷達到8 000 kV·A以上，功率因數嚴重下滑至0.85左右。且運行電容柜電抗器聲音較大、本體溫度高，柜門機械閉鎖失靈，并列電容器漏油、損壞頻繁，熔斷器多次熔斷，對電網的安全穩定經濟運行造成威脅。

進線功率因數0.85～0.89，無功損耗較大，造成了電能的嚴重浪費。

在10 kV電容故障，電網不能投運的情況下，功率因數降低到了0.79。

3 增加高壓動態無功功率補償裝置后概況

將現電容室更換為高壓HVC動態無功補償裝置1套(如圖1所示)，采用國產TSC+HVC-U-10/4050-3高壓動態無功功率補償裝置，單套高壓動態無功功率補償裝置總容量為4 050 kvar。其中TSC容量共750 kvar，分1組,750 kvar；HVC容量共3 300 kvar，分2組，分別為1 800 kvar、1 500 kvar。該套設備由1面控制柜和3面電容柜組成，由控制柜統一協調控制。TSC和HVC互相配合，根據負荷變化組合投切。采用全新智能控制系統，微機監控，達到最佳優化投切方式。HVC補償基本無功，TSC快速響應，組合投切實現細調，既可以保證補償精度，又可以達到快速跟蹤補償的效果。高壓動態無功功率補償裝置能夠滿足于電力系統的無功補償需求，采用先進的控制技術，能夠根據負荷變化動態調整補償容量，實現對電壓、無功功率的自動補償與調節，響應時間≤20 ms。在補償容量足夠的情況下，功率因數始終保持在0.90以上。

圖1高壓動態無功功率補償系統示意圖

Fig.1Diagramofhigh-voltagedynamicreactivepowercompensationsystem

TSC+HVC-U-10/4050-3電氣成套裝置采用柜式結構，配有觀察窗，便于系統監視、維護。同時柜門均裝有點動式行程開關，開門跳閘，保證人身安全。

4 效果評價

4.1 降低電能消耗

高壓HVC動態無功補償裝置投運后，功率因數由0.79提高到0.93，35 kV進線負荷假定為7 400 kW，電流可根據式(1)計算：

(1)

式中：U為電壓，kV；I為電流，A；P為有功功率，kW；cosφ為功率因數。

無功補償前：

無功補償后：

電流降低值ΔI的計算公式為：

ΔI=I1-I2；

(2)

ΔI=154.5-131.3=23.3(A)。

可見：電流由154.50 A降為131.30 A，電流降低23.2 A，發電廠視在功率下降計算式為：

(3)

式中：ΔS為視在功率降，kW；ΔI電流降，A。

ΔS=1.732×35×23.2≈1 406.4(kV·A)。

發電廠功率因數假如為0.9，則有功下降：

ΔP=ΔScosφ；

(4)

其中：ΔP為功率降，kW。

ΔP=1 406.2×0.9≈1 265.7(kW)。

1天可節約用電量計算式為：

ΔW天=ΔP×24；

(5)

式中：ΔW為用電量，kW·h。

ΔW天=1 265.7×24≈30 378(kW·h)；

1年可節約用電計算式為：

ΔW年=ΔP×365；

(6)

ΔW年=1 265.7×365≈11 087 931(kW·h)。

電價按0.48元/(kW·h)計算，可節約電費M計算式為：

M=ΔW年×0.48×10-4；

(7)

M為節約電費，萬元。

M=11 087 931×0.48×10-4≈532萬(元)。

4.2 減少電纜發熱

降低變壓器的視在功率，也就是變壓器和電纜的電流會降低，起減低損耗、提高電壓、降低變壓器配置容量的作用。母線及進線電纜熱量均會降低：

Q熱=I2Rt；

(8)

式中：Q熱為線路總熱量，kJ;R為電阻值，Ω；t為時間，h。

當電阻R和時間t一定時，電流I越小，導線上產生的熱量越小；同時，電流降低，電纜載流量更加富裕，為化熱電纜長期穩定運行奠定基礎。

主變電流降低容量寬裕度相對增加了，對變壓器繞組、終端頭、高低壓斷路器電流截面更加富裕，主變的穩定運行得到保障。

4.3 減少線路損耗

在一定負荷下,輸電線路功率因數低時,其銅損增大，母線的截面、保護開關的導電面積都必須加大才能通過更大的電流，線路損失公式見式(9)：

ΔP=3I2R；

(9)

式中：ΔP為線路損失，kJ。

由式(9)可見：電流越大，線路損耗越大。

4.4 降低線電壓

提高功率因數可以減少線路電壓，電力網的電壓損失可借式(10)求出線路電壓降：

ΔU=(PR+QX)/U；

(10)

由式(10)可見：出無功功率Q越大，ΔU越大。

4.5 減少交供電局供電費用

供電局根據功率因數增減收電費(見表1)。

表1 供電局根據功率因數增減收電費數據表Table 1 Increase orreduction in electric charge according to power factor

假定功率因數保持在0.93，負荷為7 400 kW，按每月30天、電費0.48元/(kW·h)計算，功率因數保持在0.93時供電局電費優惠比例為0.45%，則每月少交電費：

7 400×24×30×0.48×0.45%=1.15萬(元)。

4.6 根據設定功率因數自動投切

裝置根據電網功率因數所需給出控制信號，控制高壓真空接觸器，將電容器組投入或切除(現設定為0.90～0.96)。當負載功率因數高于整定值時，控制高壓真空接觸器；將電容器組切除，電容器組退出工作；當負載功率因數低于整定值時，控制高壓真空接觸器將合適電容器組投入。電容器組的投入、退出，實現了10 kV配電系統的安全穩定經濟運行。

5 結語

在北元化工聚氯乙烯二分廠供電系統中，無功負荷可以分為基礎無功需求與動態無功需求兩個部分。用高壓TSC動態無功補償裝置補償動態波動負荷，用高壓HVC自動無功補償裝置對基礎無功進行補償，可以達到更經濟的補償效果。由晶閘管閥組(TSC)和真空接觸器(HVC)投切相結合的無功補償裝置，采用全新智能控制系統，微機監控，可達到最佳優化投切方式。HVC補償基本無功，TSC快速響應，組合投切實現細調，既可以保證補償精度，又可以達到快速跟蹤補償的效果。對10 kV無功補償裝置更換后，北元化工聚氯乙烯二分廠真正實現了供電系統無功補償的“安、穩、長、滿、優”和經濟運行。

[1] 劉娟，賀翠連，張存龍.淺談東灘礦電廠無功補償裝置擴容改造[J].科技信息，2010，2(17)：960.

Analysisofbenefitduetoexpansionofreactivepowercompensationdevice

QIAOZhigang,ZHANGZhengguo,ZHANGXiaojun,LIXiaojiao

(Chemical Branch of Shaanxi Beiyuan Chemical Industry Group Co., Ltd., Yulin 719319, China)

rectifier device; reactive power compensation; capacity expansion; benefit analysis

The principle of capacitance compensation was introduced. The situation of power supply system for Chemica Branch of Shaanxi Beiyuan Chemical Industry Group Co. Ltd. was analyzed. The mode of reactive power compensation was proposed. The effect of adding high-voltage dynamic reactive power compensation device was summarized. The effect included voltage reduction, reduction in temperature raise of power cable, reduction in electric loss of wire, increase in power factor and automatic switching with the change of power factor. Thus, the service efficiency of equipment, the power supply efficiency, and the stability of circuit voltage increased, the impact to the power grid reduced, and the power supply environment improved.

*

張小軍(1983—)，男，助理工程師，2006年畢業于榆林學院物理教育專業，現于陜西北元化工集團有限公司化工分公司聚氯乙烯二分廠從事電氣專業管理工作。

2017-05-28

TM46

B

1008-133X(2017)09-0001-03

[編輯：費紅麗]