60萬t/a磷酸二銨裝置低壓配電系統無功功率補償改造

馬壽文，陳慶波

(云南天安化工有限公司安全環保部，云南 安寧 650309)

近年來，國家持續提倡節能降耗、環保低碳、綠色發展的理念，企業也認識到節能降耗、降本增效對于企業長期發展的重要性。在電力系統中，無功補償的重要性及其解決問題的現實性已得到了廣泛的重視和認可。選擇合理、合適的無功補償，是提高電力能源利用率和企業發展降本增效的重要舉措。無功功率補償技術之所以得到廣泛的使用，主要是因為該技術能夠使配電系統在運行過程中提高電能在生產中的利用率，有效的降低電能的耗損量，提高電能質量，為設備提供相對穩定的運行環境，提升設備運行率，進而實現了節能、降耗、增效的目的。本文就公司一期年產60萬t/a磷酸二銨生產裝置低壓配電系統無功功率補償技術改造，改造后給公司帶來的經濟效益進行詳細論述，說明無功功率補償在低壓供配電系統中的重要性和給企業帶來的經濟效益。

1 低壓供配電系統無功補償

1.1 現狀

公司磷酸二銨裝置低壓配電室低壓無功補償電容器組已投用多年，原采用的無功補償方式為機械式投入和切除電容器，主要包括功率因數控制器、專用電容器投切接觸器、干式自愈型電容器和熔斷器等。一次回路接線圖如圖1所示。

由于部分電容器損壞、系統負荷增加、線路發熱嚴重和柜內保險座發生短路事故等多方面因素，致使裝置低壓配電系統無功補償柜長期“帶病”運行，導致整個系統功率因數較低(低壓一段：0.81，低壓二段：0.93)、無功功率損耗大、電壓波動大、設備運行率低等問題。

1.2 存在問題

低功率因素下運行的供電系統負荷增加導至變壓器長期處于高溫運行，容易造成母線、分支母線等各連接部件發熱和降低設備的使用壽命，分析得出：

1)由于設計上的不足，采用的無功補償方式為機械式投切電容器，控制原件及電容器的頻繁投切，電容器、投切接觸器和熔斷器損壞頻繁，增加了功率補償柜維護費用和維護工作量。

2)在補償后功率因數達不到無功補償的要求。

3)運行中期滿負荷運行，加之環境溫度的影響，電容器、接觸器的發熱情況，導致柜內內溫度高。

4)熔斷器上端投切時，易發生短路故障，導致無功補償達不到預期效果。

5)配電系統諧波電流偏高、電容器間無替換長時間運行，柜體散熱不良等。

進一步來說，供電系統長期低功率運行，加大了供配電設備的負荷，而且造成生產用電量增大，提高了產品生產成本，不利于公司的發展。

1.3 原因分析

經過對上述測試結果的分析及無功補償設備日常維護過程中的故障總結，導致該無功補償設備故障主要原因有以下幾個方面：

1)由于技術改造設備增加，部分生產設備擴容，新加變頻器、軟啟動器等，現有的無功補償柜容量已經超出設計要求，滿負荷狀態下低壓一段即使全部投用功率因素也無法達到0.95以上的目標功率因數。功率因數低，浪費能源、增加能耗，不符合經濟效益和國家提倡的“節能減排”要求。

2)低壓配電系統使用的無功功率補償柜采用的是RT36型，保險座間無電氣隔離和滅弧部分，在電容器投切過程中會因涌流、諧波電流發生保險座間短路現象，存在嚴重的安全隱患。

3)近年來生產裝置技術改造，用電端設備增加，致使系統諧波電流增大，導致電容器及柜內元器件的損壞頻次增多，維護成本增加

4)低壓電容器投切元件為交流接觸器，投入或切除時會產生一個過渡過程。電容器是電壓不能瞬變的元器件，并聯電容器由交流接觸器投切電網時，由于相位點的隨機性，所以會產生幅值很大、頻率很高的浪涌電流。不僅對電網產生不利的干擾，而且對交流接觸器觸頭位置產生電弧損傷，導致接觸面接觸不良，甚至出現相間短路。頻繁出現涌流、過電壓會加速減少電容器的使用壽命，甚至造成電容器鼓包爆炸，引發生產設備事故。

2 無功補償方式的選擇

從理論上講，理想的無功補償方式是哪里需要就在哪里補償，但在實際的生產中是無法實現的。

目前，我公司低壓配電系統均采用在配電變壓器低壓側配電屏安裝并聯補償電容器的方式來補償[3](如圖2)。結合實際，磷酸二銨裝置低壓配電系統的無功補償采用的是配電變壓器低壓側配電屏安裝并聯補償電容器來集中補償。這種無功補償方式是在配電變壓器的低壓側利用無功功率自動補償控制器，隨著負荷的變化，根據測得的功率因數自動地投入或切除電容器的部分或全部容量來進行無功補償，并由控制器強制循環每組電容器的投切，以避免單組或幾組電容器長時間運行，從而延長電容器的使用壽命。

圖2 并聯補償電容器組合接線方式

3 技術改造要求

電容器可能使電網中的諧波電流放大，有時甚至在電網中產生諧振，使電器設備受到嚴重損壞[3]。

對配電系統來說，抑制諧波是很必要的。對于并聯電容器組，抑制諧波的方法主要是使用串聯電抗器。相當于在電容前串聯一個電抗，使得補償回路的阻抗在某次諧波相對于感性負載來說成感性，從而消除由于電路容性帶來的諧波震蕩。

除此之外，電容器柜內溫度也要盡量控制在一定范圍內(<60 ℃)，需設計安裝通風裝置[4]。同時，需考慮失壓過壓保護，裝置在斷電后又繼續通電防止自動投入和裝置電壓超過一定值時自動切除電容器組以滿足保護電容器的目的。在考慮以上問題的基礎上，在改造方案中作出了具體的技術要求：

1)鑒于磷酸二銨裝置低壓配電系統已無法增加柜體，改造均在原無功補償柜上進行，并保留原熔斷式隔離開關。

2)為有效消除諧波電流，以避免諧波電流注入補償柜電容器導致的再次放大，影響補償裝置元件正常運行安全和壽命。所以改造應在電容補償裝置的基礎上增加消諧電抗器進行濾波。根據測試情況，5次、7次諧波電流超標，采用6%電抗率的濾波電抗器進行濾波。

3)由于無功功率較大，負荷存在波動，采用自動補償方式，進行實時跟蹤自動補償，控制器更換為ABB公司生產的RVT-12功率因數控制器，有功率因數、無功功率進行快速動態跟蹤，邏輯判斷，進行控制。

4)原切換電容用接觸器在投切過程中會產生電容器額定電流6～20倍的涌流，存在安全隱患，故本次改造將原接觸器更換為電容器投切用同步開關。電容器選用干式自愈式電力電容器進行無功補償。

5)原RT36型保險座無電氣隔離和滅弧部分，改為隔離一體式快速熔斷器進行短路保護和回路隔離。

6)變壓器配電系統容量S=2000 kVA

取補償前功率因數cosΦ=0.79～0.8補償后功率因數cosΦ=0.95。

計算需要補償無功容量為：

功率P按目前實際運行電流 1400 A 時功率為 800 kW。考慮 2000 kVA 的變壓器可能系統負荷會增加容量，計算功率P按 1000 kW 來計算。

Q1=420 kVar

另外，還需考慮到留有一定的補償容量。作為補償裝置，在循環投切時，電容器可以有兩組電容循環處于休息狀態，以達到增加電容器的使用壽命，故每段補償容量為 480 kVar。

7)為確保良好的散熱，在原無功補償柜后柜門開孔兩個，并安裝散熱風扇輔助散熱。

4 技改效果

磷酸二銨低壓配電系統無功率補償前部分運行數據見表1。

表1 磷酸二銨低壓配電系統無功率補償前部分運行數據

磷酸二銨低壓配電系統無功率補償后部分運行數，見表2。

表2 磷酸二銨低壓配電系統無功率補償后部分運行數

磷酸二銨裝置低壓配電系統無功功率補償改造材料清單見表3。

表3 一期磷酸二銨裝置低壓配電系統無功功率補償改造材料

5 產生效益及投資回收期

1)經過改造后，按每段負荷電流 980 A，功率因數由0.87提高到0.95后每段負荷電流降低 270 A 左右，電流下降了18%左右，變壓器的損耗可降低33%。初步測算，安裝后裝置每年可節省電費20余萬元。

2)改造后，無功功率補償柜將增加設備運行的穩定性，減少設備維護費用，避免因投切方式存在的問題，導致的設備損壞，減少裝置的非計劃停車。

3)減小系統諧波電流含量，降低諧波對設備的嚴重影響和干擾，提高設備壽命，減少設備故障率。