DWK3-110C12 高壓電容無功補償在35KV 變電所的應用

秦玉芳

（晉煤集團古書院礦，山西 晉城 048000）

古書院礦西風井35kV 變電所主要負責西風井及井下西翼等的供電，用電負荷均為一二類負荷，能否安全可靠供電直接關系到礦井的安全生產。為保證供電質量及供電系統安全，35kV 變電所在設計時便考慮了無功補償。

1 無功補償和提高功率因素的意義

1.1 無功功率

在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。有功功率是保持用電設備正常運行所需的電功率，是將電能轉換為其他形式能量（機械能、光能、熱能）的電功率。無功功率比較抽象，它是電路內電場與磁場的交換，在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備，要建立磁場，就要消耗無功功率無功功率。

無功功率決不是無用功率，它的用處很大。電動機需要建立和維持旋轉磁場，使轉子轉動，從而帶動機械運動，電動機的轉子磁場就是靠從電源取得無功功率建立的。變壓器也同樣需要無功功率，才能使變壓器的一次線圈產生磁場，在二次線圈感應出電壓。因此，沒有無功功率，電動機就不會轉動，變壓器也不能變壓，交流接觸器不會吸合。無功功率，用字母Q 表示，單位為乏（Var）。

1.2 提高功率因數的意義

功率因數是反映用戶的電能的利用效率，功率因數越高，電網的電能利用率就越高。供電部門是希望用戶的功率因數越高越好。也就是希望用戶從電網索取的，都是有功功率，無功功率越少越好。因為雖然無功功率只是能量交換，并沒有能量消耗，但多一點少一點關系很大，直接關系到整個供電系統運行。這是因為電網的容量是一個定值，是有限的。有功功率是能量，無功功率也是能量，它們都是由電網提供的，所以當無功功率大了，有功功率的就小了，能提供對外做功的能量就少了。

1.3 影響功率因數的主要因素

功率因數的產生主要是因為交流用電設備在其工作過程中，除消耗有功功率外，還需要無功功率。當有功功率P 一定時，如減少無功功率Q，則功率因數便能夠提高。在極端情況下，當Q=0 時，則其功率因數=1。因此提高功率因數問題的實質就是減少用電設備的無功功率需要量。

1）異步電動機和電力變壓器是耗用無功功率的主要設備

異步電動機的定子與轉子間的氣隙是決定異步電動機需要較多無功的主要因素。而異步電動機所耗用的無功功率是由其空載時的無功功率和一定負載下無功功率增加值兩部分所組成。所以要改善異步電動機的功率因數就要防止電動機的空載運行并盡可能提高負載率。變壓器消耗無功的主要成份是它的空載無功功率，它和負載率的大小無關。因而，為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載運行或長其處于低負載運行狀態。

2）供電電壓超出規定范圍也會對功率因數造成很大的影響

當供電電壓高于額定值的10%時，由于磁路飽和的影響，無功功率將增長得很快，據有關資料統計，當供電電壓為額定值的110%時，一般工廠的無功將增加35%左右。當供電電壓低于額定值時，無功功率也相應減少而使它們的功率因數有所提高。但供電電壓降低會影響電氣設備的正常工作。所以，應當采取措施使電力系統的供電電壓盡可能保持穩定。

3）電網頻率的波動也會對異步電機和變壓器的磁化無功功率造成一定的影響。

4）以上影響電力系統功率因數的一些主要因素，因此必須要尋求一些行之有效的、能夠使低壓電力網功率因數提高的一些實用方法，使低壓網能夠實現無功的就地平衡，達到降損節能的效果。

1.4 無功補償原理

在正常情況下，用電設備不但要從電源取得有功功率，同時還需要從電源取得無功功率。如果電網中的無功功率供不應求，用電設備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場，這些用電設備就不能維持在額定情況下工作，用電設備的端電壓就要下降，從而影響用電設備的正常運行。但是從發電機和高壓輸電線供給的無功功率遠遠滿足不了負荷的需要，所以在電網中要設置一些無功補償裝置來補充無功功率，以保證用戶對無功功率的需要，這樣用電設備才能在額定電壓下工作。無功補償是把具有容性功率負荷的裝置與感性功率負荷并聯接在同一電路，能量在兩種負荷之間相互交換。這樣，感性負荷所需要的無功功率可由容性負荷輸出的無功功率補償。采用無功補償可以收到以下效果：

1）根據用電設備的功率因數，可測算輸電線路的電能損失。通過現場技術改造，可使低于標準要求的功率因數達標，實現節電目的。

2）采用無功補償技術，提高低壓電網和用電設備的功率因數，已成為節電工作的一項重要措施。

3）無功補償，它就是借助于無功補償設備提供必要的無功功率，以提高系統的功率因數，降低能耗，改善電網電壓質量，穩定設備運行。

4）減少電力損失，一般工廠動力配線依據不同的線路及負載情況，其電力損耗約2%～3%左右，使用電容提高功率因數后，總電流降低，可降低供電端與用電端的電力損失。

5）改善供電品質，提高功率因數，減少負載總電流及電壓降。于變壓器二次側加裝電容可改善功率因數提高二次側電壓。

6）延長設備壽命。改善功率因數后線路總電流減少，使接近或已經飽和的變壓器、開關等機器設備和線路容量負荷降低，因此可以降低溫升增加壽命（溫度每降低10°C，壽命可延長1 倍）。

7）最終滿足電力系統對無功補償的監測要求，消除因為功率因數過低而產生的罰款。

8）無功補償可以改善電能質量、降低電能損耗、挖掘發供電設備潛力、無功補償減少用戶電費支出，是一項投資少，收效快的節能措施。

9）無功補償技術對用電單位的低壓配電網的影響以及提高功率因數所帶來的經濟效益和社會效益，確定無功功率的補償容量，確保補償技術經濟、合理、安全可靠，達到節約電能的目的。

2 DWK3-110C12 高壓電容無功補償控制器適用范圍及特點

DWK3-110C12 高壓電容無功補償控制器適用于6kV 以上補償電容的自動投切控制。可控制八組電容組。根據無功功率大小，功率因數和電壓范圍，自動控制電容器投切進行補償。有效減少線路無功損耗,提高電網的功率因素。對需要電壓優先控制的情況，還可利用電容的調壓作用提高電壓合格率。

2.1 可靠性極高，確保安全

所有的對外接線端子均可承受上千伏的電壓沖擊而不影響正常工作，電路具有極高的抗干擾能力。

優越的“軟件電子狗”電路和容錯技術，可以自動發現程序運行錯誤并瞬間復位計算機，徹底杜絕了“死機”現象，因此本產品沒有“復位”鍵。

獨有的“硬件電路故障保護電路”，確保控制器內任意電路損壞后或“死機”瞬間都不會引發輸出誤動作，保證了本產品萬一損壞后不會成為定時炸彈。

2.2 自動化程度高，操作方便

“傻瓜機”的設計風格簡單、實用。自動運行時完全不需人為干預，出現問題時自動退出故障設備并用語音提示。

大屏幕液晶顯示器、中文顯示、圖形界面和菜單操作和設置，還有方便用戶使用的快捷鍵。設置的參數永久保存，不受停電影響。

2.3 通用面廣，適應性強

適用于6kV，10kV，110kV 等電壓等級的各類變電站。可控制一至兩段母線一至十二組電容器或者電抗器。

既可以控制等容量電容器又可控制不等容量電容器或者等容和差容混合情況。

根據用戶類型的不同，既可以僅控制無功，也可按電壓優先的原則進行電壓無功的綜合控制。

具有供值班員使用的運行設置和供安裝維護人員使用的調試設置。用戶無需提供變電站設備參數和運行情況。

具有自動控制、語音提示控制、手動操作、遠方控制多種工作方式。

2.4 自適應工作，適合無人變電站

2.5 電容控制算法先進

對同容量電容，按無功容量決定投切，按動作次數對不同容量電容，按無功量大小自動選擇匹配電容逐個投入和切除并兼顧動作次數，不會出現投切振蕩。的多少選取電容實行均衡投切。

對既有不同容量電容，又有等容量電容情況，可先按無功量大小自動選擇匹配電容容量，再根據動作次數對等容電容實行均衡投切。

保護和故障診斷

可以實現電容組合投切，以最少的電容組數實現最佳的電容控制。例如三組電容可產生七種電容量。控制更精確，無功補償一次到位。減少成套裝置的成本和空間。對電容容量比值關系無限制。

2.6 顯示功能

2.7 安裝維護方便

系統測試功能可現場觀測所有外部接入信號和通斷輸出接點，方便快速地安裝調試；

增益調節功能可使維護人員在控制器面板上用按鍵直接修正顯示精度。

通用的電路板和模塊化設計，進口可插拔式插座輸出，先進的可編程序器件易于維護升級。

2.8 語音提示功能

2.9 事件記錄

可記錄多個事件，記錄的內容不受停電影響，便于追憶運行和故障情況。

各組電容的投入、切除動作以及日期、時間。

各種異常報警事件以及日期、時間。

主變運行方式自動轉換動作以及日期、時間。

圖2

2.10 統計功能

當月和上月電壓合格率。

抄表日期、超上限率、下限率和超限時間長度、最大電壓值和最小值以及發生時間。

各電容器的本月動作次數、上月底動作次數、累計動作次數，以及各電容器本月的投運時間。

3 技術參數及調容方案

3.1 技術參數

測量精度

電 壓： ≤0.5%

電 流： ≤2.0%

功率因數： ≤1.0%

時 間： ≤1 秒/天

輸入采樣限量

電 壓：0～150V (PT 電壓)

電 流：0～5A 或0～1A(CT 電流)

輸出繼電器觸點容量 220V/5A

電源供應 AC/DC176～265V/25VA

抗干擾 共模2500V，差模1000V

環境溫度 -15℃～+50℃

相對濕度 ≤95%(25℃時)

3.2 調容控制方案

根據電容器的容量情況和應用情況，分為四種控制方案。

3.2.1 等容均衡應用在各組電容器的容量相同時，控制器按照動作次數均衡的原則逐個投切電容。相當于循環投切功能。

3.2.2 差容選配

當各組電容器的容量不相同時，需要按照電容容量大小選配，逐個投切電容器。也可用于既有不等容的電容同時由包含有等容量電容的情況，對不等容電容按容量大小選配投切，對等容量電容按照動作次數均衡投切。以上情況控制器能夠自動識別。

3.3.3 差容組合

在成套應用中，各組電容器的容量不相同，可按照各組電容容量組合出不同的電容檔，進行較為精確地投切，可以實現一次投切到位。例如3 組電容可組合出7 組容量檔。可以將成套成本降到最低，空間也降到最小。推薦使用！

3.3.4 濾波補償

用于濾波補償情況，需要指定濾波電容器的投切次序，對各組電容器的容量沒有限制。

濾波電容器投切次序的設置見電容器容量設置功能。

4 無功補償原理圖

圖1

圖3

5 經濟及社會效益

安裝DWK3-110C12 高壓電容無功補償控制器后，提高了供電系統的功率因素，提高設備出力，降低功率損耗和電能損失，改善電壓質量，節約了電力成本，與此同時由于該設備自動投切，無需人為，減少了人力物力的投入，主要體現在以下幾方面：

5.1 節省企業電費開支

提高功率因數對企業的直接經濟效益是明顯的，因為國家電價制度中，從合理利用有限電能出發，對不同企業的功率因數規定了要求達到的不同數值，低于規定的數值，需要多收電費，高于規定數值，可相應地減少電費。可見，提高功率因數對企業有著重要的經濟意義。

5.2 提高設備的利用率

對于原有供電設備來講，在同樣有功功率下，因功率因數的提高，負荷電流減少，因此向負荷傳送功率所經過的變壓器、開關和導線等供配電設備都增加了功率儲備，從而滿足了負荷增長的需要；如果原網絡已趨于過載，由于功率因數的提高，輸送無功電流的減少，使系統不致于過載運行，從而發揮原有設備的潛力；對尚處于設計階段的新建企業來說則能降低設備容量，減少投資費用，在一定條件下，改善后的功率因數可以使所選變壓器容量降低。因此，使用無功補償不但減少初次投資費用，而且減少了運行后的基本電費。

5.3 降低系統的能耗

補償前后線路傳送的有功功率不變，P=UICOSΦ，由于COSΦ 提高，補償后的電壓U2 稍大于補償前電壓U1，為分析問題方便，可認為U2≈U1 從而導出I1COSΦ1=I2COSΦ2。

即:I1/I2=COSΦ2/COSΦ1，這樣線損P 減少的百分數為：

ΔP%=（1-I22/I12）×100%=（1-COS2Φ1/COS2Φ2）×100%

當功率因數從0.70～0.85 提高到0.95 時，由(2)式可求得有功損耗將降低20%～45%。

5.4 改善電壓質量

以線路末端只有一個集中負荷為例，假設線路電阻和電抗為R、X，有功和無功為P、Q,則電壓損失ΔU 為：

△U=（PR+QX）/Ue×10-3（kV）兩部分損失：PR/Ue→輸送有功負荷P 產生的；QX/Ue→輸送無功負荷Q 產生的；

配電線路：X=（2～4）R，△U 大部分為輸送無功負荷Q 產生的

變壓器：X=（5～10）R，QX/Ue=（5～10）PR/Ue 變壓器△U 幾乎全為輸送無功負荷Q 產生的。可以看出，若減少無功功率Q,則有利于線路末端電壓的穩定，有利于大電動機的起動。因此，無功補償能改善電壓質量（一般電壓穩定不宜超過3%）。對于無功補償應用的主要目的是改善功率因數，減少線損，穩定電壓。

6 結論

古書院礦DWK3-110C12 高壓電容無功補償控制器系統的安裝調試工作得到晉煤集團公司領導和古書院礦領導的重視和大力支持，在廠家技術人員和古礦技術人員的齊心協力和艱苦努力下，現全部完成了古礦西風井無功補償系統的安裝和調試，在安裝和調試過程中發現問題、解決問題，使系統性能更穩定、功能實現更加完善。

［1］DWK3-110C12 高壓電容無功補償控制器使用說明書[Z].陜西中冠電控有限公司.

［2］電力系統穩態分析[M].中國電力出版社.