淺析無功功率補(bǔ)償器的改進(jìn)

劉之勇

（民航中南地區(qū)空中交通管理局技保中心，廣東 廣州 510000）

電網(wǎng)中的電力負(fù)荷大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需要向這些感性負(fù)荷設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。通過在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)的電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功功率補(bǔ)償。

一、背景分析

（一）補(bǔ)償方式

本次案例中采用的是低壓集中補(bǔ)償方式，該方式主要應(yīng)用在變壓器低壓側(cè)，是國內(nèi)較普遍采用的一種無功補(bǔ)償方式。其中補(bǔ)償裝置通常采用低壓并聯(lián)電容器柜，可根據(jù)用戶負(fù)荷水平的波動(dòng)來投入適當(dāng)數(shù)量的電容器，從而進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償。

（二）更換前補(bǔ)償柜狀態(tài)

本案例中由兩路高壓供電，經(jīng)過兩個(gè)變壓器變壓后分別供電。在兩個(gè)變壓器后端設(shè)置了兩個(gè)低壓補(bǔ)償柜，每個(gè)補(bǔ)償柜主要由16組電容，16個(gè)繼電器和1個(gè)邏輯控制器組成。低壓補(bǔ)償柜投入使用后可提高功率因數(shù)，降低線損和變壓器的損耗，提高變壓器的供電能力。

二、更換前補(bǔ)償柜存在問題

（一）運(yùn)行情況

該柜自啟用運(yùn)行，由于年數(shù)較長，部分電容器已經(jīng)衰減嚴(yán)重，甚至損壞，而部分繼電器觸點(diǎn)連接不緊密，運(yùn)行的溫度較高，甚至有一個(gè)邏輯控制器已壞，不能自動(dòng)投切。

（二）諧波檢測

圖1 供電系統(tǒng)概況及測試地點(diǎn)

利用儀表通過對B1 及B2變壓器下電能質(zhì)量進(jìn)行了檢測，并且檢測了現(xiàn)有純電容無功補(bǔ)償設(shè)備在投入和切除時(shí)的兩種工作狀態(tài)，對兩種情況進(jìn)行了對比，數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)的諧波含量主要是 3、5、7、11、13，而當(dāng)現(xiàn)有純電容無功補(bǔ)償設(shè)備投入使用時(shí)，系統(tǒng)總的諧波畸變率從原始5%左右放大到16%，最高接近3倍，且11次和13次諧波放大嚴(yán)重，因?yàn)樵谶@個(gè)階次發(fā)生了諧振現(xiàn)象，因此目前使用的純電容補(bǔ)償并不滿足在諧波環(huán)境下進(jìn)行安全無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

三、諧波治理及無功補(bǔ)償方案

根據(jù)諧波檢測數(shù)據(jù)分析，測試點(diǎn)電能質(zhì)量問題在設(shè)備原始功率因數(shù)較低，需要對其進(jìn)行電容串電抗的安全補(bǔ)償裝置。因此做出建議諧波治理方案，鑒于測試時(shí)系統(tǒng)負(fù)載量不同，而且按照設(shè)備大容量啟動(dòng)及無功功率補(bǔ)償?shù)刃枰瑸V波器選型需要留有一定裕量，提出以下技術(shù)方案：

無功補(bǔ)償優(yōu)化綜合裝置采用安全補(bǔ)償裝置技術(shù)，綜合補(bǔ)償系統(tǒng)無功和諧波。可以用來校正功率因素和濾除電網(wǎng)諧波。

無功補(bǔ)償部分采用接觸器投切電容器組。裝置應(yīng)采用同品牌高品質(zhì)電容器、電抗器、接觸器、無功功率補(bǔ)償控制器用于提高功率因數(shù)。

確定補(bǔ)償方案主要考慮以下幾點(diǎn)：

（一）系統(tǒng)中，需要考慮諧波的影響。主導(dǎo)諧波為 3、5、7、11 次諧波。

設(shè)計(jì)：需要串聯(lián) 14%(抑制 3 次及以上)電抗器以避免電容器流入過多的諧波電流，同時(shí)避免電容器與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。

（二）由于諧波的存在，若使用純電容補(bǔ)償，電容器將損壞。

設(shè)計(jì)：串聯(lián)電抗器進(jìn)行安全補(bǔ)償，可以提高功率因數(shù)，避免諧振，降低諧波污染，可以更好的保護(hù)電容器不受損害，運(yùn)行安全，被大量應(yīng)用。

（三）電容器耐壓選擇。

設(shè)計(jì)：選擇的電容器應(yīng)該在 1.1 倍額定電壓即 440V 電壓下長期穩(wěn)定運(yùn)行。且串聯(lián)電抗器后對電容器會(huì)產(chǎn)生局部升壓。故應(yīng)根據(jù)公式

Uc=1.1Un/(1-P%)。若 P=14%則 Uc=512V 應(yīng)選擇 525V 耐壓等級電容器。

（四）補(bǔ)償容量的設(shè)計(jì)

從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)看，低壓系統(tǒng)中采用自動(dòng)安全補(bǔ)償，補(bǔ)償后功率因數(shù)控制在 0.95 以上，同時(shí)要考慮系統(tǒng)負(fù)荷的增長，和設(shè)備維護(hù)以及備品備件的統(tǒng)一。

四、改造工程

（一）設(shè)備改造

功率補(bǔ)償柜改造采用了KBR公司提供的改造方案，除電容器之外，加裝了電抗器，每一套功率補(bǔ)償柜配有一臺(tái)無功功率補(bǔ)償控制器，采用接觸器投切電容器組，用以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高。

無功功率補(bǔ)償控制器：顯示和控制模塊，具有自動(dòng)投切控制功能，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功率因數(shù)，同時(shí)還具有諧波檢測功能。

改裝后的兩套功率補(bǔ)償柜分別替換原有的純電容補(bǔ)償柜，柜內(nèi)設(shè)有九路，每路由電容器串聯(lián)14%的節(jié)能型濾波電抗器，防止 3 次及 3 次以上諧波的放大。單路的容量為25Kvar和50Kvar，由無功功率補(bǔ)償控制器控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切。

（二）使用中存在的問題及改進(jìn)措施

功率補(bǔ)償柜改造完成后，在使用中發(fā)現(xiàn)，處于工作狀態(tài)下，電容器表面溫度可達(dá)到40℃以上，電抗器表面溫度可達(dá)到80℃左右，而補(bǔ)償柜是一個(gè)密閉的柜體，柜內(nèi)空氣不流動(dòng)，更加使得柜內(nèi)溫度的升高。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備中元器件的溫度升高，可能會(huì)導(dǎo)致絕緣材料軟化、變形，從而導(dǎo)致設(shè)備的安全絕緣性能下降或失效，引發(fā)設(shè)備故障；高溫可能會(huì)引起鼓脹爆裂，影響設(shè)備運(yùn)行安全，甚至可能導(dǎo)致消防問題；高溫同時(shí)還會(huì)減少設(shè)備的使用壽命。

針對溫度過高的問題，做出了以下幾點(diǎn)的改進(jìn)措施。

1.耐高溫電纜

在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，電抗器在工作時(shí)，表面溫度可達(dá)到80℃左右，而電抗器使用的電纜為普通的電纜，電纜外皮使用的是聚氯乙烯（PVC）材料，聚氯乙烯（PVC）絕緣電纜長期耐溫僅為70℃，不能滿足功率補(bǔ)償柜內(nèi)電抗器長期工作時(shí)的要求。所以，將普通電纜更換為耐高溫電纜，這種耐高溫電纜外皮采用的絕緣材料為：氟塑料絕緣，溫度范圍-60-260度；可有效解決電抗器運(yùn)行時(shí)，連接電纜過熱的情況。

2.安裝散熱風(fēng)扇

為緩解密閉機(jī)柜內(nèi)環(huán)境溫度過高的問題，在機(jī)柜的門板上安裝了散熱風(fēng)扇。根據(jù)空氣流通的方向，在機(jī)柜門上端和下端各安裝了一臺(tái)散熱風(fēng)扇，下面一臺(tái)為進(jìn)風(fēng)，上面一臺(tái)為出風(fēng)，增加了機(jī)柜內(nèi)的空氣流動(dòng)，起到了有效降低機(jī)柜內(nèi)溫度過高的作用。

3.溫度智能多路巡檢儀

同時(shí)制作安裝了這套溫度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由溫度檢測探頭和主機(jī)組成，溫度檢測探頭接觸式安裝在每一個(gè)電容器和電感器上，采集溫度數(shù)據(jù)，傳輸至主機(jī)，主機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度。并且主機(jī)對每一路監(jiān)測的數(shù)據(jù)可獨(dú)立設(shè)置溫度上限，當(dāng)溫度超出該上限時(shí)，主機(jī)會(huì)提示該溫度超限告警。

圖2 溫度智能巡檢儀

五、改造后結(jié)果分析

通過對配電系統(tǒng)進(jìn)行電能質(zhì)量改造，加裝了KBR電抗率為14%的節(jié)能型濾波電抗器，防止3次及3次以上諧波的放大，并對改造前后，兩臺(tái)變壓器在加裝14%濾波電抗器后的KBR安全無功補(bǔ)償裝置，在投入和切除兩種狀態(tài)進(jìn)行了電能質(zhì)量的檢測，對兩種情況進(jìn)行了對比，數(shù)據(jù)（見表1）表明，該系統(tǒng)的諧波含量主要是 3、5、7、11、13，串接14%的濾波電抗器的KBR安全補(bǔ)償元件投入使用后，將功率因數(shù)提高的同時(shí)也抑制了諧波的放大，并且吸收了一定的諧波，達(dá)到了一定的效果。

表1 改造前后數(shù)據(jù)對比表

六、總結(jié)

通過對無功功率補(bǔ)償?shù)母脑欤岣吡斯β室驍?shù)，由于功率因數(shù)的提高，增加了變壓器的使用裕度，同時(shí)諧波電 流的降低，減少了線路的功率損耗，提高配電系統(tǒng)的輸電效率，達(dá)到了節(jié)能的目的。