高壓無功自動補償的設計與應用

丁維星　白國偉　王　寬

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高壓無功自動補償的設計與應用

丁維星白國偉王寬

山東方大工程有限責任公司

丁維星（1973-）男，山東黃島人，工程師，二級建造師， 設備管理師，現任山東方大工程有限責任公司設備科科長，長期從事機電技術工作。

行業曲線

本文針對高壓供電系統中無功自動補償系統，提出高壓電容自動投切及諧波治理的觀點。在電力行業起到先進理念的帶動作用。

如付諸現實將產生200萬元/年的經濟效益。

本文介紹了供電系統中高壓無功自動補償的設計及在本公司的應用

現場情況描述：山東方大工程有限責任公司屬于6kV系統供電，自然功率因數在0.8左右，當負荷運行，正常生產時，功率因數僅為0.5～0.6左右。主要負荷有兩臺1000kVA的變壓器（變壓器后端負荷主要為交流異步電動機）、兩臺630kVA的變壓器。兩臺1000kVA的變壓器主要為型鋼車間供電，一臺630kVA變壓器為廠用電，另一臺630kVA變壓器主要為辦公、宿舍供暖用。

以上設備，除供暖用變壓器低壓側安裝補償設備外，其余均未安裝補償設備。大量非線性負荷的應用，使電網的功率因數低，線路損耗增加，諧波含量大，危害電力系統的安全運行和工廠電氣設備的安全經濟運行。

為解決以上問題，擬在企業地上變電所6kV母線上裝設濾波補償成套裝置，以起到濾除諧波，提高系統功率因數、改善電能質量、穩定電網以及節能降耗、降低運行成本、提高生產效率等目的。

裝置要求

本工程6kV無功自動濾波補償裝置，補償容量為4000kvar， 分4組， 分 別 為800kvar、800kvar、1200kvar、1200kvar，不等容投切。電容組需充分考慮抑制系統諧波，提高系統電壓、使功率因數滿足0.95以上。裝置采用標準化柜體結構，每組均配控制開關、放電線圈、濾波電抗器、濾波電容器、高壓噴逐式熔斷器、避雷器、電流互感器、電壓無功控制器、電容器組微機保護單元、柜內照明、高壓帶電顯示器等，柜內懸空式母排走線。每組是獨立的一套單元，可以獨立的進行投切控制和保護。

功能范圍

1.功能概述

本裝置以母線電壓、功率因數和無功功率為主要判斷依據，在遵循“保證電壓合格，盡量減少調節次數”的前提下，根據優化的“十二區圖模糊控制原理” 對變壓器有載調壓分接頭的自動調節和對6kV母線上的并聯電容器組的自動跟蹤投切（對于不等容電容器組，根據線路無功缺額的大小，選擇最佳的電容器組合以減少電容器投切次數及提高電容器補償精度），來實現對變電站母線電壓和無功的綜合控制，從而有效的減少功率損耗，提高電網功率因數和電網電壓質量。

2.基本功能

控制智能化。本裝置可自動適應變電站的各種運行方式，包括單臺變壓器運行、兩臺變壓器運行的各種運行模式。

運行方式靈活。本控制器具有調壓自動補償自動、調壓手動補償自動和調壓自動補償手動等多種運行方式，且1、2變調壓和1、2段補償可分別進行手動自動設置。

可分別控制兩臺主變的1～19檔有載調壓和1～4組電容器不等容投切。

過電壓保護、低電壓保護、電容柜總開關斷開保護功能，當電網出現過電壓或低電壓，以及電容總柜斷開時控制器自動切除所有電容組，且閉鎖調壓和補償動作。

本裝置具有自動檢測單組電容投切控制機構拒動故障的功能，當出現該故障時控制器發出報警，且閉鎖該組電容投切。

調壓機構拒動、連調故障檢測功能，當出現該故障時，裝置發出調壓急停命令，且閉鎖調壓功能。

本裝置采用大屏幕液晶顯示器，全中文菜單顯示。用戶可方便的查看控制器采集的模擬量、開關量、報警信息及運行參數等。

密碼保護功能。控制器所有運行參數包括定值、通訊參數，均設有密碼保護。只有輸入正確的密碼方可進入修改狀態，且密碼可由用戶自行設定。

四遙功能。本控制器具有RS485通訊接口，采用標準的《CDT通訊規約》，可實現遙測、遙信信息上傳，遙控投切電容組和遙控調壓。

每組電容均配有開口三角電壓保護，一段過流保護，二段過流保護，任一組電容發生故障時保護動作切除相應的電容組，其它電容組仍能正常運行不受影響。

自診斷與自恢復功能

開機后，軟件自動檢查主要硬件電路。

設有WATChDOG（看門狗）電路，可保證本系統在死機后能自行復位，重新啟動運行。

裝置可對控制對象進行手動控制操作，且自動和手動操作互為閉鎖。

預留RS-485或RS-232通訊接口，可與變電站綜合自動化聯網，實現無人值守。

設備規范及結構

名稱：6kV無功自動補償裝置

型號：VQC2-7.2/4000-4N

額定頻率：50Hz

額定電壓：7.2kV

補償容量：4000kvar

單組補償容量：800kvar、800kvar、1200kvar、1200kvar

投切組數：4

接線形式：星形

補償方式：無功自動跟蹤補償

投切方式：尋優投切

二次控制系統工作電源

額定電壓：AC/DC220V。

允許偏差-20%～+20%。

紋波系數小于5%。

額定功耗：≤550W。

出廠試驗按有關規程測出實際值。

控制器的技術參數及性能要求

型號：VQC200B

工作電源

額定直流電源輸入：220VAC/DC

電壓模擬量輸入：0～120V

電流模擬量輸入：0.1～5A

功率消耗：＜20W

額定輸入電壓：交流100V（分別取自母線上TV的二次）

額定輸入電流：交流5A（取自母線TA）

模擬量輸入

交流模擬量電壓50～120V（從TV二次側來）

交流模擬量電流0～5.5A（從TA二次側來）

通迅接口為RS485，可采用雙絞線作為傳輸介質。

遙測

直接測量：Ⅰ段Ub、Uc、Ia；Ⅱ段Ub、Uc、Ia；

間接測量：Ⅰ段Ia、Ubc、Q、Cos；Ⅱ段Ia、Ubc、Q、Cos。

遙控

12路完成遙控，遙控合、遙控分，出口繼電器接點最大導通電流為5A。

性能要求

測量精度

電壓測量誤差：≤0.5%

電流測量誤差：≤0.5%

無功測量誤差：≤2.0%

延時：延時時間10～60min可調，誤差應大于+5%。

控制裝置平均無故障工作時間MTBF（下限值）30000h。

抗干擾性能：能承受頻率為1MHz及100Hz電壓幅值共模2500V，差模1000V的衰減震蕩波脈沖干擾試驗，能承受嚴酷等組為Ⅰ級的震動響應，沖擊響應試驗。

電容器組微機保護單元的主要技術參數及性能要求

型號：SKPC100

工作電源

額定電壓 AC/DC220V

允許偏差 -20%～+20%

紋波系數小于5%

額定輸入電壓：交流100V（取自電容器組TV的二次側）

額定輸入電流：交流10A（取自電容器組TA的二次側）

保護功能

一段過流保護

二段過流保護

開口三角電壓保護

任一組電容發生故障時微機保護動作切除該電容組，使該組電容投入動作被閉鎖，其它電容組仍能正常運行不受影響。

電容器主要技術參數及性能要求

額定電壓：6.6/√3kV

額定容量：267kvar、400kvar

電容允許偏差：0%- + 10%

介質結構：全膜介質結構，二芳基乙烷浸漬

介質損耗角正切值：≤0.05%（20℃時）

極間耐壓：交流電壓2.15倍的額定電壓10s

直流電壓4.30倍的額定電壓10s

電容器的工頻穩態過電壓和相應的運行時間

1.10 UN 長期

1.15 UN 30min/d

1.20 UN 5min/d

1.30 UN 2min/d

電容器承受的過電壓和相應的持續時間

3.0 UN 0.01s

2.0 UN 0.3s

1.7 UN 1s

1.3 UN 1min

1.15 UN 30min穩態過電流

電容器能在1.3倍的額定電流下持續運行，對于具有最大正偏差的電容器能在1.43倍的額定電流下持續運行。

電容器能承受100倍額定電流的涌流沖擊，每年這樣的涌流不超過1000次，其中若干次是在內部溫度低于0℃，但不低于下限溫度時發生的。

其他技術要求

裝置的實際電容與其額定電容偏差應在電容的±5%。裝置的主電路相間以及相與地之間應能承受短時（1min）工頻耐受電壓15kV。

母線之間連接處及主電路中各連接處的溫升應不超過50℃，各電器設備的溫升不應超過各自的規定。

裝置的連續運行電壓為1.00Un，且能在如下表所規定的穩態過電壓運行相應的時間。

工頻電壓　最大持續時間　說 明1.10Un　長 期　指長期過電壓最高值不超過1.10Un 1.15Un　每24h中30min　系統電壓的調整與波動1.20Un　5 min　輕負載時電壓升高1.30Un　1 min

裝置能在方均根值不超過1.3倍電容器組額定電流的過電流下連續運行。

裝置配置濾波電抗器，用以限制電容器組投入運行瞬間產生的涌流和抑制高次諧波。

依據系統實時無功及母線電壓來選擇電容器容量進行投切實現有載自動補償。

裝置配有DXN-10/Q型高壓帶電顯示器和電磁門鎖，具有強制閉鎖功能，防止誤開柜體門，以確保人員及設備安全；并設有柜內照明燈，可隨時監測設備運行情況。

裝置進線及柜內主母線采用LMY-50*5母排，各電容組分支母排采用LMY-30*3鋁母排，全部母排分相套色差熱縮管。

另根據現場情況需配置一塊KYN28-7.2高壓配電柜，型材車間高壓盤計量技術改造。

圖1為我公司無功補償一次系統圖。

圖1

表1

無功補償效益分析

1.補償負荷情況、補償容量及補償后的功率因數

山東方大工程有限責任公司屬于6kV系統供電，自然功率因數在0.8左右，當負荷運行，正常生產時，功率因數僅為0.52。主要負荷有兩臺1000kVA的變壓器（變壓器后端負荷主要為交流異步電動機）、兩臺630kVA的變壓器。兩臺1000kVA的變壓器主要為型鋼車間供電，一臺630kVA變壓器為廠用電，另一臺630kVA變壓器主要為辦公、宿舍供暖用。以上設備，除供暖用變壓器低壓側安裝補償設備外，其余均未安裝補償設備。大量非線性負荷的應用，使電網的功率因數低，線路損耗增加，諧波含量大，危害電力系統的安全運行和工廠電氣設備的安全經濟運行。

本設計考慮在變電所6kV母線上裝設濾波補償成套裝置，以起到濾除諧波，提高系統功率因數、改善電能質量、穩定電網以及節能降耗、降低運行成本、提高生產效率等目的。根據現場負荷情況，現本工程設計6kV無功自動補償裝置1套，補償容量為2550kvar，分4組，容量分別為150kvar、400kvar、800kvar、1200kvar，使負荷小時，小容量的電容組可投入，實現不同容量的組合，以滿足系統無功需求，補償后無力率電費，功率因數達0.95以上。

2.治理諧波、提高功率因數的意義

1）提高用電質量，減少電力線路的電壓損失，改善設備運行條件，可保證設備在正常條件下工作，使電器設備壽命延長、生產穩定、質量提升、降低能耗、不會產生諧波導致開關誤動作、這就有利于安全生產。

2）可節約電能，降低生產成本，減少企業的電費開支。例如當cosφ=0.5時的損耗是cosφ=1時的4倍。

3）由于減少了電網無功功率的輸入，降低系統的能耗，從而能提高企業用電設備的利用率，進一步充分發揮企業的設備潛力，給用電企業帶來效益。

4）可減少線路的功率損失及輸送同容量有功的電流，提高電網輸電效率。

5）因發電機的發電容量的限定，故提高cosφ也就使發電機能多出有功功率，即減少有功損失，又使線路及變電設備的容量降低。

3.補償后的力率電費調整

對于山東方大工程有限責任公司的考核功率因數以0.52計，表1為功率因數調整電費表。

由表1可知，山東方大工程有限責任公司原功率因數為0.52，需要增收的電費為總額度的41%，加裝無功補償后功率因數提高至0.95時，其電費可少交電費總額的0.75%。

山東方大工程有限責任公司，按全年最大用電量2000000kWh計算，電量價格取0.92元，設一年供電8760h（365*24），補償裝置一年運行時間為3000h，則：

功率因數不滿足供電部門要求時一年需要增收的電費：

2000000*0.92*41%=75.44萬元

功率因數達到0.95時可以減收的電費：

2000000*0.92*0.75%=1.38萬元。

一年減少的電費支出為75.44+1.38=76.82萬

加裝無功補償提高功率因數可降低線路的有功損失及無功損失，其計算公式為：

ΔF=（Kj--tgδ）Qb*t*β

式中Qb——電容器補償容量（kvar）；

Kj——無功功率節約當量（Kw/kvar）；

tgδ——電容器的介質損失角的正切值。

本線路無功當量Kj取0.1，tgδ=0.0005，山東方大工程有限責任公司電容器補償容量為2550kvar，電容器年運行時間取3000h，電量價格β取0.92元。則加裝無功補償后一年減少的電費支出為：

△F=（0.1-0.0005）*2550*3000*0.92=70.0281萬元

結語

無功補償項目年增加供電效益明顯，另從提高了設備的利用率、節約電網建設投資和改善電壓質量、降低勞動強度等各方面考慮，有效地減少了檢修次數降低了勞動強度，大大提高了供電可靠性，增加了供電能力，保證了供電質量，能收到較大的社會效益和經濟效益。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.022