無功補償裝置的設計

王曉梅 王賢民

（1.合肥水泥研究設計院，合肥 230051；2.南京工程學院，南京 211157）

無功補償裝置的設計

王曉梅1王賢民2

（1.合肥水泥研究設計院，合肥 230051；2.南京工程學院，南京 211157）

無功補償技術對用電企業提高電網運行質量十分重要。本文對無功補償方法與關鍵技術進行了分析，并通過實際案例介紹了無功補償裝置的設計方法與注意事項，無疑將對無功補償技術的應用起到推動作用。

無功補償技術；電網；設計；裝置

1 引言

無功補償技術對于提高電力系統的電能質量和挖掘電網的潛力是十分必要的，是用電企業節能降耗有效措施之一。其主要作用包括提高負載和系統的功率因數、減少設備容量和功率損耗，穩定電壓，提高供電質量，提高系統輸電穩定性和輸電能力，平衡三相負載的功率等。因此，無功功率補償已成為保證電網高質量運行的重要手段之一，是水泥廠電力系統設計中研究的一個重大課題，。也是在配電網改造中推廣無功補償技術的一個值得關注的實際課題。

2 電網中的無功損耗

電力系統由輸配電線路、升降壓變壓器、配電變壓器、用戶電力負荷等各個功能環節所組成。電能在電壓的作用下，以電流的形式在電力系統的各個功能環節中流動，為用戶提供期望的能量，同時也存在著不可忽視的能量損耗。特別是系統中無功功率負荷和無功功率網損，在電網中幾乎無處不在，不但造成大量能源的浪費，同時也嚴重地影響了電能的質量。

2.1 用戶端的無功損耗

用戶端的用電設備，基本上以感性負荷為主，其無功損耗主要由勵磁損耗和漏磁損耗所構成，其功率因數約為0.6～0.9之間。 由此可推出，用戶端負荷的功率因數角約在53°～26°之間，根據功率三角形，功率因數角的正切值 tgφ≈1.33～0.49，也就是說，用戶端的無功功率需求是有功功率需求的0.49～1.33倍。可見，用戶端無功負荷之大，是不可忽視的，即：用戶側是無功功率的最大需求側。

2.2 變壓器的無功損耗

變壓器的無功損耗同樣由勵磁損耗和漏磁損耗構成，根據運行狀態，可分為空載和負載兩種狀態。變壓器空載無功損耗≈3%；有（滿）載運行時，變壓器的無功損耗＝變壓器空載無功損耗（約3%Sn）＋漏磁無功損耗增量（約 3%）＋向用戶端輸出的無功功率。如果從電源到用戶需要經過好幾級變壓，則變壓器的無功損耗就是一個很大的數字。

2.3 輸配電線路的無功損耗

電力線路上的無功損耗，主要體現在串聯電抗上的感性無功損耗和并聯電納上的容性充電損耗。線路電抗上的感性無功損耗與電流的平方成正比、與電壓的平方成反比：

可見，負荷功率（有功＋無功）越大，線路上的無功損耗越大；線路電壓越低，無功損耗越大。由上述分析可見：無功功率是由負荷性質和電網結構決定的，是不可消除的。 無功功率產生了無功損耗，使發、變、配電設備有效利用率降低，網損增大，電能質量下降，能源浪費嚴重，供用電成本增高。

3 無功補償方法

（1）區域性中心變電站，無功負荷波動平緩，其35kV及以上電壓等級，可采用固定補償（FC）方式，對下級電網漏補的無功功率進行補償。其補償容量為系統的穩態無功需量。其特點是結構簡單、維護方便、造價低廉、運行安全。

（2）臨近負荷中心的中小型變電站和企業變電站，無功負荷波動較大，宜在10（6）kV母線上配置母線集中自動補償（MSC），用于補償大負荷時段低壓側漏補的無功功率，和各個配電變壓器的空載無功損耗。其補償容量依據低壓側補償狀態和目標功率因數，通過計算確定。其特點為補償裝置隨系統無功功率的波動自動調整（分組投切或改變電容器端電壓）補償電容器的容量，減少了欠補和過補的現象，使無功就地平衡的效果明顯。

（3）對0.4kV低壓母線集中自動補償（MSC、TSC），用于對低壓負荷無功功率進行直接補償。其補償容量按自然功率因數和目標功率因數計算得出，其電容器分組（含分相和共補）按無功負荷曲線或經驗值確定。其特點是就近提供無功，對降低網損效果特別明顯。

（4）大功率高低壓電動機隨機固定補償（FC），用于補償電動機的空載無功損耗。其容量為電容器電流小于電動機空載電流的90%以下，以避免產生自激振蕩。其特點為結構簡單，電容器并聯在電動機定子上，與電動機同時起動或停止，真正實現了無功功率的就地平衡。

（5）對于具有諧波源且無功功率波動平緩（如：電解工藝、充電整流等）的系統，可采用 LC單調諧無源濾波器，在濾除特征諧波的同時，實現無功補償功能。其特點是結構簡單，造價低廉。

（6）對于具有諧波源的大功率突變性負荷（如：礦井提升機、軋鋼機等），宜采用靜止式動態無功補償裝置（SVC），該裝置由容性FC濾波補償支路和感性相控電抗器 TCR（或磁控電抗器 MCR）兩部分組成。其特點是根據無功需量自動改變晶閘管閥組的觸發角以改變電抗器的感性電流，反應速度＜20ms，特別適合于沖擊性負荷的無功補償。

（7）APF有源電力濾波器，一種新型的電力電子自適應濾波裝置。該裝置利用大功率全控型電力電子器件和PWM脈寬調制技術，根據電網瞬時諧波狀態，自動產生與系統諧波等值反向的補償電流，從而使電網電流只含有基波分量。

4 無功補償裝置的設計

（1）設計主要的依據。國家標準有GB 50227－2008《并聯電容器裝置設計規范》，SD 325－1989《電力系統電壓和無功電力技術導則》，GB/T 14549－93《電能質量與公用電網諧波》DL/T 604－1996〈高壓并聯電容器裝置訂貨技術條件〉，GB/T 15576－2008〈低壓成套無功功率補償裝置〉GB/T 20298－2006〈靜止無功補償裝置（SVC）功能特性〉等。

（2）要達到“節能降耗”的目的，無功補償裝置必須要有一定的運行效果，其具體的運行效果，主要體現在以下幾個方面：①功率因數明顯提高，并達到電力系統力率考核的標準。②系統總電流明顯下降。③系統電壓趨于穩定。④供電設備的帶負載能力明顯提高。⑤系統無功損耗（線損和變損）明顯降低。⑥系統諧波含有率滿足GB/T 14549的規定，且不引起系統諧振。⑦供用電成本明顯降低，企業經濟效益明顯提高。⑧供電設備溫升降低，設備的安全性和使用壽命提高。⑨補償設備自身運行安全可靠，設備投資回收期約為1年，基本使用壽命在5年以上。

（3）無功補償設計中要注意一些問題，如電容器過載、變壓器及傳輸設備的過載等，對計算機及電氣傳動裝置的干擾及諧振增加，即諧波放大。特別注意一下關鍵技術的處理。

1）補償方式問題。首先要實現無功就地平衡，即注意補償用戶的功率因數，同時必須通過計算無功潮流，確定各點的最優補償量、補償方式，降低電力網的損耗，達到最有效的降損，才能使有限的資金發揮最大的效益。

2）諧波問題。電容器具備一定的抗諧波能力，但諧波含量過大時會對電容器的壽命產生影響；由于電容器對諧波有放大作用，因而使系統的諧波干擾更嚴重，使電壓畸形。另外，較大諧波干擾影響，使測量及控制系統的控制失靈。在需補償無功的地點，應考慮濾波裝置。

3）無功倒送問題。無功倒送會增加線路和變壓器的損耗，加重線路負擔。在三相負荷不對稱的情況下，只選擇一相作采樣和無功分析，就可能造成無功倒送，采用固定電容器補償方式的無功補償裝置，在負荷低谷時，也可能造成無功倒送。因此，無功補償裝置應能根據系統的無功變化，及時地進行調整，避免無功倒送。

5 應用實例

以下為越南緣何 5000t/d熟料水泥生產線高壓補償系統，該系統采用了母線集中自動補償和電動機就地固定補償兩種補償方式。圖2是原料磨工段補償點位置圖。

圖2 是原料磨工段補償點位置圖

（1）母線集中自動補償 水泥磨工段6kV母線集中自動補償方案如圖3所示。

圖3 水泥磨工段6kV母線集中自動補償方案

設計說明如下。

總容量分兩組，每組1臺柜子，共兩面柜；可實現4級補償，各級補償容量如下：0，600，1200，1800kvar；電抗率6%，可抑制涌流并濾除高次諧波；采用真空接觸器有利于頻繁投切；采用內熔絲實現電容器過載、短路保護；采用避雷器實現電容器瞬時過壓保護；采用HW控制器實現實時跟蹤補償；采用電磁鎖對隔離開關進行五防閉鎖保護；采用HWCZB電容綜合保護器實現對支路過流、速斷、開口與不平衡保護。

（2）電動機就地固定補償。窯頭高壓電動機固定補償裝置系統如圖4所示。

圖4 窯頭高壓電動機固定補償裝置系統

設計說明如下。

對電動機空載無功進行就地補償；額定電流：35A；使用條件：電動機空載電流大于 39A；工作條件：與電動機同步投切；采用內熔絲實現電容器過載、短路保護；采用避雷器實現電容器瞬時過壓保護；采用電磁鎖對隔離開關進行五防閉鎖保護；整機過載、短路、缺相等由開關柜保護。

（3）補償裝置設計中主要參數的確定

1）電抗率K的選擇

僅用于限制涌流時，K=0.1%～1.0%，其效果應使投入時涌流小于電容器回路額定電流的20倍。

當用于抑制5次及以上諧波時，K=4.5%～5.0%

當用于抑制3次及以上諧波時，K=12%，亦可采用4.5%～5.0%與12%兩種電抗率混裝的方式。

2）電容器的額定電壓

電容器回路串聯了電抗率為K的電抗器后，將引起電容器端電壓的升高，所以，電容器的額定電壓必須相應提高。

串聯不同電抗率的電抗器，電容器需要的端電壓按下式計算：

3）有電抗器時補償容量的計算

首先計算出串聯電抗率為K的電抗器時，所需要的電容器額定端電壓 Uc，根據 Uc選取電容器標準系列的額定電壓值 Uce（Uce＞Uc）則：裝機容量Qzj，補償容量Qbc由下式確定：

4）電容器補償容量的幾種確定方法

按主變容量的 10%～30%配置電容器總補償容量，35～110kV電壓等級，可按主變容量的10%～25%配置補償容量；10kV公用配電網，可按主變容量的20%～40%配置補償容量。補償效果要求：在主變最大負荷時，一次側功率因數≥0.95；在主變低谷負荷時，一次側功率因數≤0.95。

6 結論

本文結合水泥廠電力系統設計中的無功補償裝置的設計，對無功補償技術開展了研究，總結了實現無功補償的方法，提出了無功補償裝置設計中應該注意的事項，通過具體的應用案例給出了計算公式，對無功補償裝置的設計將有所幫助，對無功補償技術應用推廣將是非常有益的。

[1] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2] 苑舜,韓水.配電網無功優化及無功補償裝置[M].北京:中國電力出版社,2003.

[3] 靳龍章,丁毓山.電網無功補償實用技術[M].北京:中國水利水電出版社,2006.

[4] 王曉麗.供配電系統[M].北京:機械工業出版社,2004.

Design of Reactive Power Compensation Equipment

Wang Xiaomei1 Wang Xianmin2
(1.Hefei Design and Academe of cement, Hefei 230051；2.Mechanical Engineering Department of Nanjing Engineering Institute, Nanjing 211157)

Reactive power compensation technology is very important to improve the operation quality of power grid in electricity enterprise. This article contributed to the analysis of the reactive power compensation technology and related key technique and introduces the design method of reactive power compensation device and its important notes through real case, which will promote the application and promotion of the reactive power compensation technology.

reactive power compensation technology；power grid；design；equipment

王曉梅（1959-），女，籍貫：浙江省寧波市，工作單位：合肥水泥設計研究院，高級工程師及國家注冊電氣工程師，研究方向：電氣設備及其自動控制。