某海港變電所電能質(zhì)量測試及治理研究

佟怡爍，胡風(fēng)革，何 笠，熊 勝，周 屹

某海港變電所電能質(zhì)量測試及治理研究

佟怡爍1，胡風(fēng)革1，何 笠1，熊 勝1，周 屹2

（1.海軍工程大學(xué)，武漢，430033；2. 海軍后勤部軍事設(shè)施建設(shè)局，北京 100000）

為治理某海港變電所電能質(zhì)量，對某海港變電所電能質(zhì)量進(jìn)行了測試。分析了變壓器低壓側(cè)電力系統(tǒng)的工作模型，基于此模型計算了系統(tǒng)工作電壓、無功補(bǔ)償柜電容兩端的實際工作電壓及相應(yīng)的電抗率，研究結(jié)果表明：系統(tǒng)電壓過高、電容與電抗配置不合理以及無功補(bǔ)償控制器失效等問題導(dǎo)致了變壓器低壓側(cè)無功補(bǔ)償柜電容器頻繁損壞且系統(tǒng)功率因數(shù)偏低。最后文章提出通過安裝靜止無功發(fā)生器的方式給出了治理方案。

海港變電所 電容補(bǔ)償柜 靜止無功發(fā)生器

0 引言

電力用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高，越先進(jìn)的設(shè)備對電能質(zhì)量的要求也越高，這給供電方提出很大的挑戰(zhàn)。但同時，在低壓配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題又主要是由電力負(fù)荷所引起的。如負(fù)荷諧波電流、無功電流及三相不平衡電流等電流質(zhì)量問題同時會引起諸如電壓畸變、欠電壓以及三相電壓不平衡等電壓質(zhì)量問題。因此要從根本上改善電能質(zhì)量，除了要求供電方提供高質(zhì)量的電能外，更重要的是對那些污染電能質(zhì)量的負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償和治理。現(xiàn)某港碼頭有一變電所，為靠岸船舶供電，變電所內(nèi)有6臺容量2000 kVA的變壓器，每臺變壓器下配2臺容量為375 kvar的電容補(bǔ)償柜，柜內(nèi)配電抗器。配電系統(tǒng)在使用過程中出現(xiàn)以下問題：

1）變壓器下端無功補(bǔ)償柜電容器頻繁損壞，平均壽命8個月，且電容衰減嚴(yán)重，2#變壓器下端電容柜燒毀過。

2）補(bǔ)償效率極低，目前各變壓器系統(tǒng)功率因數(shù)在0.81~0.85之間。

1 變壓器低壓側(cè)電能質(zhì)量測試

為解決以上問題，在2#變壓器出線端進(jìn)行電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。測試點位置如圖1所示。

圖1 2#變壓器測試點示意圖

第一次測試數(shù)據(jù)如圖2所示：

瞬時電壓值瞬時電壓畸變率 瞬時電流值瞬時電流畸變率 瞬時有功功率瞬時功率因數(shù) 系統(tǒng)電流有效值及畸變率 系統(tǒng)電壓有效值及畸變率

第二次測試數(shù)據(jù)如圖3所示：

瞬時電壓值瞬時電壓畸變率 瞬時電流值瞬時電流畸變率 瞬時有功功率瞬時功率因數(shù) 系統(tǒng)電壓有效值及畸變率 系統(tǒng)電流有效值及畸變率

2 電容衰減、爆炸分析

2.1 系統(tǒng)電壓過高

根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)分析，變電所至負(fù)載端有200米長的電纜連接供電，每臺變壓器下負(fù)載平均電流為1500 A。電流經(jīng)過電纜到負(fù)載端時，由壓降計算公式

可知電纜會產(chǎn)生10~20 V左右的壓降。由于設(shè)備用電情況需要，為保證負(fù)載端電壓在400 V以上，目前變壓器出線側(cè)的平均電壓在415 V以上，最高系統(tǒng)電壓430 V，具體如圖4所示。

系統(tǒng)電壓嚴(yán)重超過380 V標(biāo)稱電壓，最高超出13.2%。過高的系統(tǒng)電壓嚴(yán)重影響電容器安全運(yùn)行，加速電容器電容值衰減。

2.2 電容、電抗參數(shù)配置問題

電容柜內(nèi)采用電容器串聯(lián)電抗器的型式進(jìn)行補(bǔ)償。

電容器額定容量：30 kvar，最高電壓：440 V（該系統(tǒng)中兩電容并聯(lián)，容量60 kvar）注：工作電壓為400 V時，電容器容量為25 kvar，實際工作電壓最高430 V，因此按30kvar計算。

電抗器額定電感：0.77 mH

1）電抗率計算

電容器的電容值為C，容抗:

電容器容量：

電抗器的電感值為（0.77 mH），感抗:

電抗率：

由公式（3）和（5）得

電容柜內(nèi)存在兩種回路：

a) 其中7個回路為2個電容器串聯(lián)1個電抗器（Q=60 kvar，為0.77 mH，U=0.44 kV）帶入公式3，經(jīng)過換算，電抗率計算值近似為0.075，實際廠商生產(chǎn)配置為7%電抗率。

b) 其中1個回路為1個電容器串聯(lián)1個電抗器（Q=30 kvar，為0.77 mH，U=0.44 kV）帶入公式3，經(jīng)過換算，電抗率計算值近似為0.037，實際廠商生產(chǎn)配置為3%電抗率。

2）電容器運(yùn)行端電壓計算

電容器串聯(lián)電抗器后，電容器的端電壓會升高，電流、電壓相量如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)電流、電壓相量示意圖

a)當(dāng)電抗器電抗率為7%。則：

即電容器端電壓為系統(tǒng)電壓的1.075倍。

目前系統(tǒng)平均電壓415 V，最高電壓430 V，計算可得：

第一種回路運(yùn)行端電壓：平均電壓446.1 V，最高電壓462.25 V

b)單個電容器串聯(lián)電抗率3%電抗器后，同理可得，電容器端電壓為系統(tǒng)電壓的1.031倍。計算可得：

第二種回路運(yùn)行端電壓：平均電壓427.8 V，最高電壓443.3 V

由此可知a）中電容器兩端的實際電壓嚴(yán)重超過電容器最高運(yùn)行電壓440 V，危害電容安全運(yùn)行，甚至發(fā)生爆炸（已發(fā)生爆炸）。電容器和電抗器的配置并不適合該用電工況。

2.3 諧波問題

由圖3可知，系統(tǒng)諧波電壓畸變率不超過1.5%，系統(tǒng)諧波電流畸變率7.6%時，系統(tǒng)電流600 A左右，處于用電低谷，諧波電流約47 A；電流畸變率在3.5%左右波動時，系統(tǒng)電流1500 A左右，處于用電常態(tài)，諧波電流在50 A左右。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)人為控制直流負(fù)載不工作，系統(tǒng)依然存在少量諧波，若直流負(fù)載投入運(yùn)行，則諧波含量必然急劇增加。本來就過壓運(yùn)行的電容器將處于非常惡劣的工況。

3 治理方案

3.1 無功補(bǔ)償容量計算

由圖6可知，系統(tǒng)平均有功功率為850 kW，系統(tǒng)無功功率在268~600 kvar之間變化，某一瞬間達(dá)到1468 kvar，根據(jù)分析，該狀態(tài)僅為大電機(jī)類設(shè)備啟動，無諧波變化，屬于正常負(fù)荷。

系統(tǒng)無功功率 系統(tǒng)有功功率

根據(jù)公式

其中P為有功功率，S為視在功率，Q為無功功率。

若將PF提至0.95以上，系統(tǒng)無功功率含量要低于280 kvar，因此實際無功功率需求為320 kvar。在實際工作中，考慮到負(fù)載的變化，為確保設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行，安裝容量建議大于實際需求容量，可安裝2臺容量為200 kvar的立柜式靜止無功發(fā)生器。該方案可有效解決電容衰減及爆炸等問題，并且提高系統(tǒng)功率因數(shù)。

3.2 SVG的安裝位置

2臺靜止無功發(fā)生器的安裝位置如圖7所示。

4 總結(jié)

本文分析了變電所低壓側(cè)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，研究了無功補(bǔ)償柜中電容器電容衰減嚴(yán)重、甚至發(fā)生爆炸的原因，分別分析了系統(tǒng)電壓過高、電容電抗配置以及諧波的影響，最后給出了通過安裝靜止無功發(fā)生器進(jìn)行治理的解決方案。

圖7 SVG安裝位置示意圖

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Power Quality Test and Treatment of a Harbor Substation

Tong Yishuo1, Hu Fengge1, He Li1, Xiong Sheng1, Zhou Yi2

(1. Naval Engineering University, Wuhan 430033, China; 2.Military Facilities Construction Bureau of Naval Logistics Department, Beijing 100000, China)

TM922.4

A

1003-4862（2019）12-0046-04

2019-06-19

佟怡爍（1986-），男，講師，主要研究方向為控制工程。

胡風(fēng)革（1988-），男，助理研究員，研究方向為軍港電力工程。E-mail: 515596441@163.com