低壓無功補償功率因數不達標改造總結

趙建榮，白飛雄，白永明，李專成，樊進超，薛小彬

(陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林 719319)

在氯堿生產中，低壓用電負荷量的大大提高增加了低壓進線斷路器電流，造成功率因數的大大降低，嚴重影響了設備運行的穩定性，降低了供電質量，極大地影響了氯堿企業的經濟效益。為此，陜西北元化工集團(以下簡稱“北元”)化工分公司計劃針對提高功率因數進行系列改造，以提高供電質量，為公司創造更大的經濟效益。

北元化工分公司電氣系統中0.4 kV配電主回路采用單母分段運行方式,變壓器高壓側斷路器分別接在10 kV母線Ⅰ段和10 kV母線Ⅱ段,變壓器低壓側斷路器分別接在0.4 kV母線Ⅰ段和0.4 kV母線Ⅱ段,0.4 kV母線Ⅰ段和0.4 kV母線Ⅱ段通過母聯連接。北元化工分公司有容量2 500 kV·A的變壓器8臺,容量2 000 kV·A的變壓器20臺,容量1 600 kV·A的變壓器10臺，容量1 250 kV·A的變壓器6臺，其中容量1 250 kV·A的變壓器每臺配備1個無功補償配電柜，其余容量的變壓器每臺配備兩個無功補償配電柜。

由于現場電氣設備較多，需要的無功補償量較大，提高無功補償及供電系統的可靠性，對于氯堿企業尤為重要。

1 低壓無功補償原理

(1)在電力系統中,電動機、變壓器、交流接觸器及其他有線圈的電器設備應用較多,此類設備從配電線路中消耗兩部分電流,其中一部分電流轉化為電器設備有用功,比如電能轉化成光能、熱能、動能、聲能、機械能等；另一部分電流轉化成不做功的電感電流。這樣，就造成配電線路中的電流額外增大，耗費了大量的電能。當電感電流為零時，功率因數接近1；當電感電流逐漸增大時，功率因數逐漸下降；當功率因數越低時，配電線路中額外負荷越大，電力變壓器及0.4 kV配電母排承擔負荷越大，降低了線路及電力設備的利用率，增大線路的電流損耗、電壓損耗、功率損耗，降低了供電質量，造成氯堿企業重大經濟損失，浪費了國家資源。因此，氯堿企業應該提高功率因數。提高功率因數最便捷的方式是并聯電容器，用產生的電容電流抵消電感電流，將不做功的無功電流減小到一定范圍內[1]。

并聯電容器補償原理為:由于容性電流iC相位超前90°，可以抵消部分相位滯后于90°的感性電流iL,使電流由i1減小為i2，相位角由φ1減小到φ2，從而使功率因數從cosφ1提高到cosφ2[2]。

(2)北元化工分公司采用TSC動態無功補償裝置。TSC以三相共補形式，用于三相對稱負荷、三相無功功率平衡的場所。該裝置利用晶閘管作為投切開關，自動檢測一相無功電流及無功功率與電網電壓，產生三相共同的控制信號。由觸發電路驅動電子開關器件的開通與關斷，統一投入或切除每一相上等值的補償電容器。

2 低壓無功補償裝置結構

TCS動態無功補償裝置由隔離開關、熔斷器、三相串聯電抗器、自愈式低電壓并聯電容器、晶閘管、電壓表、電流表、功率因數表、電流互感器、TWK-200動態無功補償控制器組成。筆者將在下文重點介紹自愈式低電壓并聯電容器和三相串聯電抗器參數。

采用的自愈式低電壓并聯電抗器如下：型號為BSMJ0.44-10-1,額定容量為10 kVar，額定電流為22.7 A;型號為BSMJ0.44-20-1，額定容量為15 kVar，額定電流為34.1 A；型號為BSMJ0.44-30-1，額定容量為30 kVar，額定電流為68.2 A。

三相串聯電抗器采用型號為：CKSG1.8/0.44-6，額定電壓為26.4 V，額定電流分別為22.73、45.46、68.18 A。

3 低壓無功補償功率因數不達標原因

(1)北元化工分公司2014開車的C、D兩條線，該生產裝置采用電石干法工藝系統。筆者主要以乙炔分廠變電站4臺容量2 000 kV·A變壓器所帶低壓無功補償為例,研究低壓無功補償功率因數不達標原因。該生產裝置分為4個生產區，生產一區和生產二區配電負荷由容量為2 000 kV·A的43#動力變和44#動力變通過母聯聯絡柜34供電，生產三區和生產四區配電負荷由容量2 000 kV·A的45#動力變和46#動力變通過母聯聯絡柜56供電，一區、二區、三區、四區工藝系統相同,所用電負荷一樣。

用電負荷主要分為3類：①小功率電動機以其保護器為保護裝置的固定負荷，代表性的有混料斗提機、干渣斗提機、洗滌器泵、細料斗提機、管道泵、干渣輸送器、注水泵；②以變頻方式啟動的調頻負荷，代表性的有攪拌電動機、盤式給料機、進料機、下料器以及細料下料器；③大功率電動機以軟啟動方式啟動的調頻負荷，代表性的為破碎機。由于電石破碎難度系數大，負荷不穩定，電流變化大，現場電動機經常發生下引線燒斷事故、電動機軸承抱死事故、電動機線圈直接燒毀事故等，直接影響變壓器的負荷。

2014年剛開車的C、D兩條線，由于設備和工藝系統處于磨合期,整個生產裝置不穩定,系統流量較低,用電負荷少,變壓器進線斷路器電流最高在260 A運行，功率因數在0.93以上，其中43#、44#、45#、46#變壓器，每臺分別由2個無功補償配電柜給予低壓無功補償，其中1#低壓無功補償配電柜由3個容量為10 kVar的電容、3個容量為20 kVar的電容和3個容量為30 kVar的電容以及額定電流分別為22.73、45.46、68.18 A的3個三相串聯電抗器組成。另外一個2#低壓無功補償配電柜由9個容量為30 kVar的電容, 額定電流為68.18 A的3個三相串聯電抗器組成：額定容量10 kVar電容的補償電流為36.8～37.2 A,額定容量為20 kVar電容的補償電流為56.2～65.9 A,額定容量為30 kVar電容補償電流為104～112 A。2014年典型低壓無功補償數據如下。

TWK-200動態無功補償控制器數據如下：

Uab=402 V，為A、B相電壓；Ubc=406 V，為B、C相電壓；Uca=408 V，為C、A相電壓；Ia=166 A，為A相電流；Ib=176 A，為B相電流；Ic=154 A，為C相電流；P=109 kW，為有功功率；Q=26 kVar，為無功功率；Pf=0.93，為功率因數；S=114 kV·A，為視在功率。

無功補償柜補償電流數據：

1#補償柜電流A相為239.4 A，B相為220.2 A，C相為220.1 A；2#補償柜電流A相、B相、C相均為0；進線斷路器顯示電流A相為233 A，B相為241 A，C相為218 A。

(2) 現場生產設備經過兩年的磨合時期，設備性能大大提高，加之進一步優化生產裝置，設備穩定性得到前所未有的提高。北元化工分公司陸續提高系統流量，改造不科學、不規范的生產裝置，相對應的電氣設備也提高負荷，其中43#、44#、45#、46#變壓器進線斷路器電流由原來的260 A提高到1 600 A左右，而且保持進線斷路器電流基本不變，持續穩定運行，用電負荷必須大大提高，從而導致功率因數不達標。

功率因數初始不達標時，由于操作人員電氣專業技能差，電氣操作水平低，對出現問題原因判斷不準確，盲目認為功率因數不達標是因為TWK-200動態無功補償控制器已損壞。在更換無功補償控制器時，對無功補償采樣電流二次回路未采取任何措施，造成低壓進線斷路器無功補償電流采樣互感器開路，嚴重燒毀，外殼變形。采樣電流互感器燒毀后，功率因數不達標典型數據如下。

TWK-200動態無功補償控制器數據：

Uab=391 V，Ubc=391 V，Uca=392 V；

Ia=619 A，Ib=614 A，Ic=613 A；

P=368，Q=209，Pf=0.87，S=412。

進線斷路器顯示電流：

A相為233 A，B相為241 A，C相為218 A。

4 低壓無功補償配電柜改造措施

(1)在更換TWK-200動態無功補償控制器過程中，未對無功補償采樣電流二次回路采取短路措施，導致采樣電流互感器燒毀，外殼嚴重變形。針對此種情況，應提高操作人員的電氣操作和理論水平以及實際操作的綜合能力。更換TWK-200動態無功補償控制器時，應提前對無功補償采樣電流二次回路采取短路措施，對電流互感器二次回路控制線采用專用的短路連接片或6 m2以上單芯銅導線短接。

在更換完TWK-200動態無功補償控制器后，拔掉電流互感器二次側短路連接片或銅導線，恢復低壓無功補償柜正常運行狀態。

(2)由于現場負荷為110 kW軟啟動的頻繁啟動，功率因數經常不達標，造成TWK-200動態無功補償控制器投切頻繁及無功補償控制器里面的電流模塊燒毀，此時應規范地更換TWK-200動態無功補償控制器。例如，在低壓外進線斷路器長周期大負荷穩定運行的情況下，由于夏季變配電室溫度較高，容易造成無功補償采樣電流互感器線圈燒毀，外殼變形發黃；又如，由于無功補償電流采樣時出現偏差，導致功率因數不達標。

上述情況，應規范更換變比為4 000∶1的低壓電流互感器。

(3)以單臺變壓器作為研究對象，提高用電負荷，無功補償電流也相應提高。原電容器的補償電流不能滿足無功補償的要求是造成功率因數不達標最重要的原因。此時，應對無功補償控制柜的電容器進行擴容，將功率因數從cosφ1提高到cosφ2所需的電容電流為：

IC=Ir(tgφ1-tgφ2)。

(1)

式中：Ir為線路上的有功電流，A；φ1為補償前的功率因數角，；φ2為補償后的功率因數角。

不達標無功補償功率因數為0.83左右，即cosφ1=0.83；根據無功補償最大經濟性的要求及氯堿生產的需求，須將無功補償功率因數提高到0.96以上，即cosφ2=0.96；根據長周期的觀察，線路中最大的有功電流在1 140 A左右，即Ir≈1 140 A。依據cosφ與tgφ對應值表[2]查得：

cosφ1=0.83，tgφ1=0.672 0；

cosφ2=0.96，tgφ2=0.291 7。

根據式(1)可計算所需電容電流：

Ic=Ir(tgφ1-tgφ2)≈1 140×(0.672 0-0.291 7)≈433.5(A)。

根據對配電室的長期觀察,1個容量為30 kVar的電容，補償電流大約為108 A，單臺變壓器每相母排應增加4個容量為30 kVar的電容，故單臺變壓器應增加12個容量為30 kVar的電容，對應增加 4個額定電流為68.18 A的三相串聯電抗器、4個晶閘管，把1#低壓無功補償配電柜3個容量為10 kVar的電容和3個容量為20 kVar的電容拆除，并把對應額定電流分別為22.73、45.46 A的兩個三相串聯電抗器拆除。

無功補償配電柜改造以后，功率因數大大提高，實現了節約能耗、降低成本的目的。目前，北元化工分公司的無功補償功率因數基本保持在0.96以上。

5 結語

經過長期的摸索、實踐，北元化工分公司逐步改造無功補償柜，大大提高功率因數，提高用電質量，改善設備運行條件，節約了電能，降低了生產成本，為提高氯堿生產效益創造了條件。