化工企業低壓變電所無功補償優化計算及設計

樓奕軒

（合肥工業大學電氣與自動化工程學院，合肥230000）

化工企業一般主要用電負荷為電動機等感性負載，功率因數較低，需采取無功補償措施，使無功就地達到平衡，從而降低變壓器及線路等電網元件的電壓降及功率損耗。隨著電力電子技術的發展，變頻器、中頻爐等非線性設備的大量運用，諧波問題的出現使傳統的純電容無功補償不再適用，出現鼓包損壞等故障，影響電網運行安全[1]。采用電抗-電容器組無功補償是解決諧波問題的經濟而有效措施。

補償電路中串入電抗器，使得補償參數計算與純電容補償有著較大區別。一方面，電抗器反向抬高了電容器的端電壓，從而改變了電容器的補償量。另一方面，電抗器的感抗也抵消部分電容器的容抗，使實際補償量減小，需進行修正[2]。

無功補償設計一般根據負荷特性，按最大負荷或平均負荷計算補償容量[3]。在工程實踐中，由于企業考慮未來發展而預留了一定的變壓器容量及用電負荷參數的不確定性，使得按負荷計算的補償容量隨著負荷的變化，出現一定的偏差。基于變壓器容量的優化補償就顯得尤為實用有效。

1 串聯電抗器選型

1.1 串聯電抗器型式選擇

低壓串聯電抗器選型需考慮：一是對電氣二次弱電設備的影響要小，即要求電抗器本體周圍的漏磁要弱；二是從防火角度考慮，要求無油化；三是體積小，便于安裝。因此，低壓串聯電抗器一般選干式鐵芯電抗器。

1.2 串聯電抗器電抗率選擇

電抗率選擇時應考慮電網的背景諧波，為了抑制諧波放大，電抗器配置原則：使電容器組接入出的綜合諧波阻抗呈感性[4]。電抗-電容器組的等效阻抗，在諧振點前呈容性，在諧振點后呈感性。諧振頻率f0的計算：

式中，k為電抗率，即串聯電抗器的感抗XL與電容器的容抗XC之比。

市場上目前常用低壓電抗-電容器組的電抗率一般為7%及14%。

電抗率選7%時，由（1）式可得，諧振頻率f0=189 Hz。對于5次諧波（f5=250 Hz）及更高次諧波呈感性，具有抑制作用。對于基波（f1=50 Hz）及3 次諧波（f3=150 Hz）呈容性，具有補充作用。故當系統諧波主要為5 次及以上時，選擇電抗率選7%的產品。

電抗率選14%時，諧振頻率f0=134 Hz。對于3次諧波（f3=150 Hz）及更高次諧波呈感性，具有抑制作用。對于基波呈容性，具有補償作用。故當系統諧波主要為3 次及以上時，選擇電抗率選14%的產品。

2 補償電容計算

2.1 電容器額定電壓計算及選擇

1)電容器端電壓。考慮串聯電抗器的影響，電容器端電壓UC的計算：

式中，US為電抗-電容器組接入點母線端電壓；k為電抗率；

2)電容器額定電壓。在實際運行時，低壓系統供電電壓偏差為標稱電壓的±7%[5]、諧波電壓的影響、接入及輕載引起電網電壓升高等因素，電容器額定電壓Un按滿足式（3），并結合電容器系列電壓選擇額定電壓：

2.2 串聯電抗對電容補償容量影響的修正

考慮電容器的實際補償容量與電容器實際端電壓的平方成正比，以及串聯電抗器自身的感抗抵消部分電容的補償量。為達到目標補償功率因數，電抗-電容器組的實際補償容量Qn按式（4）修正：

式中，Qb為電抗-電容器組的實際補償容量。令修正系數A=(Un/UC)2(1-k)，則電容器組的額定容量與實際補償容量的修正公式為：

電容器組的額定容量計算完成后，根據電容器系列容量及分組，選取相應的電容器。

通過以上計算及分析，得出選型計算參數見表1。

表1 串聯電抗-電容器組選型計算參數Tab 1 Parameters of reactance-electrical capacitance groups

2.3 電容器容量計算及選擇

2.3.1 按最大負荷計算補償容量

一般企業最大負荷每年出現的時間較短，故該方法計算結果偏大，會導致大部分時間內部分電容閑置。按最大負荷補償容量Q的計算：

式中，Pc為最大負荷有功功率，tan φ1和tan φ2分別為補償前和補償后最大負荷功率因數角正切。

按最大負荷計算的負荷一般是偏高的，因此對功率因數的要求不能層層加碼，目標功率因數按補償到0.9考慮，即tan φ2取0.484；

2.3.2 按平均負荷計算補償容量

按平均負荷補償容量的計算：

式中，αav為年平均有功負荷系數。

年平均有功負荷系數αav根據企業負荷特征確定。化工企業取0.83 左右，石油企業取0.8 左右，輕工紡織企業取0.51～0.68。該方法目標功率因數按補償到0.95考慮，即tan φ2取0.329。

2.3.3 按變壓器容量計算補償容量

按變壓器容量計算補償容量是基于變壓器長期運行負荷的一種估算法。為保證目標補償功率因數，在確定補償容量要綜合考慮變壓器容量、負荷率、負荷特征等因素。使補償容量準確且經濟。

變壓器的長期負荷率與負載大小及用電負荷等級有關。當主要用電負荷為一、二級負荷的變壓器，為保證重要負荷的供電的可靠性，分列運行的配變其長期負荷率一般低于50%。對于主要用電負荷為三級負荷的變壓器，其長期經濟運行的負荷率一般在65%～85%。按變壓器容量計算需要補償容量：

式中，β為變壓器負荷率，S 為變壓器容量，cos φ1和cos φ2分別為補償前和補償后的功率因數。

令計算系數q=(1-cos φ12)1/2-(1-cos φ22)1/2，則Q=βSq。

計算系數見表2。

表2 計算系數qTab 2 The calculating coefficient of q

需要補償容量計算完成后，按式(4)修正，結合電容器系列選擇電容器額定容量。

2.3.4 基于變壓器容量的補償電容快速選型

化工企業低壓變電所的自然功率與其用電負荷特征相關。不同行業的用電負荷有一定差別。通過對化工企業的實際運行工況調查，低壓變電所的自然功率因數一般在0.75～0.82。考慮到通用性，這里取cos φ1=0.75，cos φ2=0.95。按變壓器負荷率85%為基礎，結合電容系列，計算出的補償電容選型數據，得到基于變壓器容量的補償電容快速選型表，見表3。其他特征的可根據實際情況修正。

表3 基于變壓器容量的補償電容快速選型Tab 3 Fast design for compensating capacitor that based on transformer capacity

3 結 論

無功補償能有效提高變壓器出力，降低變壓器及線路損耗，優化設計的參數可以抑制電網諧波影響，提升電能質量；同時改善電容器工況，降低故障率，提升電網的安全性。

基于變壓器容量的補償電容快速選型，為工程實踐提供快速便捷的選型方法。