區(qū)域集中供冷項目10 kV冷水機組專用變壓器空載補償探討

葉宏偉

摘 要：研究了區(qū)域集中供冷項目10 kV冷水機組專用20/10 kV-10 000 kVA變壓器的系統(tǒng)部署方法和無功補償系統(tǒng)的設(shè)置，并采用了全電磁一次投切的容性無功補償系統(tǒng)和發(fā)揮了抗性無功補償?shù)南嗷プ饔茫行Ы鉀Q了系統(tǒng)在空載時無功補償需求與全負荷時無功補償需求的巨大差異問題。

關(guān)鍵詞：區(qū)域集中供冷；冷水機組；專用變壓器；空載補償

中圖分類號：TM46 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.065

區(qū)域供冷系統(tǒng)是為了滿足某一特定區(qū)域多個建筑物的空調(diào)冷源要求，由專門的供冷站集中制備冷水，并通過區(qū)域管網(wǎng)供給冷凍水的供冷系統(tǒng)。與各單體建筑獨立設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng)相比，采用區(qū)域供冷系統(tǒng)可減少制冷機組總裝機容量的20%～30%，從而減少初投資、縮小占地面積。采用集中大型冷水機組有利于提高系統(tǒng)能效，具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢。由于前期負荷較低、季節(jié)性因素等，導(dǎo)致變壓器的空載補償成為了非常重要的問題。本文以某區(qū)域集中供冷項目工程為例，集中探討、解決變壓器空載時的低功率因數(shù)補償問題。

1 工程實例分析

本區(qū)域集中供冷項目考慮到制冷主機大容量運行時經(jīng)濟性較高、制冷站面積的局限性等問題，雙工況離心式冷水機組、機載離心式冷水機組均采用10 kV主機（國內(nèi)外區(qū)域供冷大型空調(diào)主機均為10 kV供電），可使冷水機組的安裝數(shù)量減少，從而降低工程的初期投資，具體如表1所示。

根據(jù)空調(diào)制冷主機的負荷特性，該區(qū)域供冷項目制冷站設(shè)置了1臺 10 000 kVA（一期） 20/10 kV 變壓器、1臺12 500 kVA（二期） 20/10 kV變壓器（供給10 kV冷水機組用電）和8臺2 000 kVA 20/0.4 kV 變壓器（供給冷站配套的照明動力、制冷主機配套的一級和二級泵和融冰泵等用電），具體如表2所示。

2 無功補償技術(shù)的作用

采用無功補償技術(shù)可根據(jù)功率因素進行無功補償，這是因為無功功率在電網(wǎng)中的消耗是巨大的，在輸、變和配電過程中，設(shè)備會大約消耗50%的無功功率，剩下的50%用于負載。因此，為了使無功功率消耗率降低，就必須減少電網(wǎng)中的無功功率流動，從一開始運作就增加無功補償，提高電負荷的功率因數(shù)，從而降低損耗。此外，還可根據(jù)網(wǎng)損微增率進行無功補償。如果電網(wǎng)的覆蓋范圍較大，則當(dāng)判斷它的無功補償分配是否合理，是否能達到最小總消耗時，往往通過簡單提高功率和無用功的經(jīng)濟量是無法確定的，需要根據(jù)網(wǎng)損微增率的分配情況進行無功補償。

3 無功補償技術(shù)的實現(xiàn)方式

本項目的實際裝機容量達到了38 500 kVA，其中，僅一期就有10 kV大型冷水機組6臺，總裝機容量為10 000 kVA。由于前期的用戶接入量小，變壓器的最大有功負荷僅為20%左右，加之季節(jié)性因素的影響，很多時候其有功負荷可能低于10%，甚至空載，而通常變壓器空載的功率因數(shù)只有0.2～0.3.

同時，當(dāng)10 kV壓縮機M啟動時，變壓器負荷常超過90%，這是因為其容性漏電負荷基本消失，無功負荷的形式從容性無功變?yōu)榭剐詿o功。當(dāng)變壓器負荷在90%時，其抗性無功可占到其容量的70%，進而給35 kV總線帶來的抗性升壓更加明顯。

因此，基于小容量變壓器的容性無功狀態(tài)和抗性無功狀態(tài)反復(fù)切換，本文提出的新系統(tǒng)基本不需要基于SCM的多級無功補償方法，而需要根據(jù)系統(tǒng)的實際負荷和壓縮機M的啟停變化，在變壓器前置布置1個可切換的無功補償設(shè)備。

基于SCM的多級無功補償方法是將系統(tǒng)可能發(fā)生的最大無功補償劃分為5～7個分級，由SCM系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的無功狀態(tài)選擇投入的無功補償設(shè)備狀態(tài)。雖然本文提出的新系統(tǒng)也存在無功狀態(tài)的變化，但不需要進行無功補償?shù)姆旨壡袚Q，只需要使系統(tǒng)快速判斷壓縮機M的運行狀態(tài)，從而確定投入全部容性無功設(shè)備，還是投入全部抗性無功設(shè)備。

4 無功補償技術(shù)的應(yīng)用

由于容性無功在變壓器滿載時基本無法體現(xiàn)，所以，本文需求的無功補償主要是在變壓器空載時充分補償變壓器空載的容性漏電無功，且在變壓器滿載時及時變更以抗性無功為主的無功補償策略。

4.1 容性補償選型

從上述分析得出，本文使用的電容器容量應(yīng)達到每組20/10 kV，共3組，分別并聯(lián)至相間。斷路器采用氣動動作，開合周期<100 ms，拉焰時間<50 ms。

4.2 抗性補償選型

從上述分析得出，本文使用的電抗器應(yīng)達到每組20/10 kV

每組，共3組，分別并聯(lián)至相間。投切開關(guān)使用10 kV/5 A斷路器，分別布置在電容器兩端。斷路器采用氣動動作，開合周期<100 ms，拉焰時間<50 ms。

2組共12個斷路器，相互之間形成聯(lián)動和互斥的關(guān)系。斷路器通過遙控線相互關(guān)聯(lián)。本系統(tǒng)采用電磁控制的原理，當(dāng)空壓機M的10 kV/60 A-J閉合時，通過耦合線圈取得信號，抗性補償6個斷路器閉合，容性補償6個斷路器彈開；當(dāng)壓縮機M的10 kV/60 A-J斷開時，耦合線圈丟失信號，使用12 V補償電源的常閉開關(guān)給出信號，容性補償6個斷路器閉合，抗性補償6個斷路器彈開。從理論上看，容性補償開關(guān)和抗性補償開關(guān)之間應(yīng)布置互斥閉鎖線路，但如果此兩者的互斥性得到閉鎖，就必須存在開關(guān)提前拉閘接觸閉鎖的情況，斷路器投切時間難以保證在100 ms內(nèi)完成。一旦投切時間超過100 ms，系統(tǒng)內(nèi)的無功過電壓故障可能會在剛性變壓器中向下傳輸，給下級10 kV母線帶來超過5個周期的浪涌電壓。該模式對10 kV母線的損害較大，甚至?xí)斐?0 kV/60 A-D斷路器過電壓跳閘，給系統(tǒng)帶來不必要的麻煩。因此，本系統(tǒng)沒有使用容性補償開關(guān)和抗性補償開關(guān)之間的互斥閉鎖。

即使是在智能化用電系統(tǒng)和全柔性用電系統(tǒng)中，電磁系統(tǒng)仍然是必不可少的部分。系統(tǒng)的最終動作是通過電磁系統(tǒng)執(zhí)行的，本系統(tǒng)除下層400 V各接觸器外，其他高壓部分的開關(guān)（含400 V母線電源斷路器400 V/125 A-D）只有5個。在這種簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，部署智能化設(shè)備的必要性不大，反而通過降低系統(tǒng)復(fù)雜度的全電磁控制設(shè)計可完全滿足本系統(tǒng)的需要。

5 結(jié)束語

本文研究了小容量變壓器在大容量固定負荷的狀態(tài)下使用全電磁控制進行無功補償?shù)姆绞健Ｓ捎谙到y(tǒng)空載狀態(tài)下的容性漏電負荷和滿負荷狀態(tài)下的抗性無功負荷相互切換較為直接，所以，本系統(tǒng)采用了2組斷路器直接控制高壓側(cè)的無功補償，使系統(tǒng)實現(xiàn)快速、無條件的無功補償切換，且此無功補償切換直接在大容量用電器的接觸器上引線遙控，進而實現(xiàn)了系統(tǒng)無SCM控制的快速無功投切，有效防止了下級負荷因無功增壓而引起的浪涌。

參考文獻

[1]黃留欣，黃磊，趙穎煜，等.電力系統(tǒng)容性無功及補償[J].電力電容器與無功補償，2013，6（06）：28-30.

[2]郭禧斌，陳富安，黃留欣.城市配電網(wǎng)容性無功補償研究[J].電力電容器與無功補償，2014，2（02）：36-37.

〔編輯：張思楠〕