低壓自動無功補償裝置的設計應用

陳遠輝

（1.廣東省現代農業裝備研究所，廣東廣州 510630；2.廣州市金王機械設備有限公司，廣東廣州 510700）

0 引言

某單位1#和2#機加工車間是相鄰的兩間廠房，中間區域布置低壓配電柜向兩側車間的機床供電，因此可以最大限度地縮短從低壓配電柜向兩個車間的供電距離。

廠區里幾個公司均靠同一變電站10/0.4 kV 配電變壓器供電，1#和2#機加工車間與變電站相距500 m 左右，設計安裝的并聯電容補償裝置的負荷及供電位置示意如圖1 所示。在沒有裝設電容補償裝置前，在機加工車間正常工作時段對功率因數及電壓進行實際測量，從低壓配電柜輸出的電壓明顯偏低，實際測量的線電壓通常在332～348 V，功率因數cosφ 在0.5～0.6，直接導致車間內平面磨床的充退磁控制裝置因為觸發低電壓保護而頻繁跳閘停機。

圖1 機加工車間供電示意

通過分析發現，機加工機床的工作過程幾乎都是通過三相異步電機做功實現的，在配電系統消耗的無功功率中，異步電機約占70%，變壓器約占20%，線路約占10%[1]。因此兩個機加工車間工作時存在大量的感性動力負荷，由于電力網絡中的電能損失與功率因數值的平方成反比，導致網絡電力損耗增加。功率因數過低，又導致供電線路的電壓急劇下降，使得用電設備的運行條件惡化[2]。為了提高低壓配電柜的輸出電壓，提高用電功率因數及減少輸電線路損耗，必須在車間低壓配電系統中增加無功補償裝置。

1 無功補償裝置類型及系統組成

1.1 無功補償裝置類型比較

無功補償裝置也可稱無功電源，主要類型有：

（1）同步發電機。工作時既產生有功功率，也輸出無功功率。

（2）同步電動機。同步電動機運行時不吸收無功功率，超前運行時則輸出無功功率。

（3）同步調相機。構造上與同步發電機相似，由于其維護等方面比較復雜，目前基本上已淘汰。

（4）并聯電容補償裝置。是目前電力用戶采用無功補償的主要方式，適用于110 kV 及以下的電壓等級。

（5）靜補裝置和串聯補償裝置。靜止補償器發出的無功可在感性和容性之間調節，目前在光伏發電中有應用，串聯補償主要用在長距離的高壓輸電線路中。

（6）并聯電抗補償裝置。一般應用在220 kV 以上的電網中。

綜合以上分析，需要設計一臺低壓（380 V）并聯電容無功補償裝置與低壓配電柜配套使用。

1.2 并聯電容補償裝置系統組成

1.2.1 裝設位置

在電力系統中，并聯電容器的補償方式主要有三種：高壓集中補償、低壓集中補償和分散就地補償。高壓側補償電容器一般采用星形接法，低壓側補償電容器一般為三角形接法，如圖2 所示。

圖2 并聯電容器無功補償裝設位置

設計給機加工車間低壓配電柜配套的無功補償裝置屬于圖2 中最末段的分散就地補償方式，它具有補償范圍大、效果好的優點，主要應用于負荷平穩、設備長期運轉的場合。

1.2.2 系統構成

低壓自動無功補償裝置系統框圖如圖3 所示，通過控制器的輸入端檢測到車間低壓配電柜進線端三相電壓和線電流后，送入中央處理器CPU 進行計算處理，根據目標功率因數自動接通投切開關，完成對并聯電容器組的自動投切，同時可將電壓、電流、頻率、補償后的功率因數等數據上傳至上位機。

圖3 低壓自動無功補償系統框圖

2 并聯電容裝置補償容量計算

根據車間內最大使用負荷Pc，無功補償前的功率因數cosφ1，cosφ2為要求補償后達到的功率因數。補償電容容量由計算式Q=Pc（tanφ1-tanφ2）確定[1]，為簡化計算，將公式作如下推導：

由于補償前車間的電壓和功率因數明顯偏低，補償電容可以按式（1）最大負荷的補償容量進行計算，將補償前的功率因數cosφ1=0.5 及要求補償后需要達到的功率因數cosφ2=0.9 代入式（1）進行計算，補償容量計算值為Q。

無功補償容量選用電容器的總容量為125 kvar，把電容器分為5 個回路，選擇電容器的額定電壓為450 V 的自愈式低壓并聯電容器，容量分別為30 kvar（2 個），25 kvar（2 個），15 kvar（1 個）。

3 并聯電容補償裝置電氣接線

3.1 無功補償裝置主電路

并聯電容器各分組回路可采用直接接入母線、并經總回路接入變壓器的接線方式，也可以采用設置電容器專用母線的接線方式[3]。此處設計的并聯電容器補償裝置屬于車間現場的分散就地補償方式，補償電容屏母線排電源從車間低壓配電柜的總進線端母線引入。補償電容屏主電路構成如圖4 所示，主要電氣元件包括隔離開關QS、電流互感器TA、避雷器FV、接地開關OG、斷路器QF、接觸器KM、電抗器L 及并聯電容器組C。

圖4 補償電容屏主電路原理

電路中各元件的主要作用：①隔離開關QS：設備檢修時用來隔離有電和無電部分，斷開電路時有明顯的斷開點，隔離開關嚴禁作為負荷開關使用，應與斷路器配合使用；②電流互感器TA：檢測無功補償電容屏的電流；③斷路器QF：對電容器進行短路及過電流保護；④接地開關OG：僅檢修時合上開關接地，保護人身安全，正常工作時開關應該斷開；⑤避雷器FV：對電路的過電壓進行保護；⑥接觸器KM：對各個回路的電容器作頻繁投切動作的開關器件；⑦電抗器L：限制電容器的涌流及抑制電網中的諧波，提高電能質量。

3.2 自動無功補償裝置控制電路

功率因數控制器的接線原理如圖5 所示，它能夠根據設置的功率因數閾值，對5 個回路的電容器進行自動循環投切，其采樣電流必須是機加工車間低壓配電柜的總進線端電流，采樣電壓和電流不同相位，相關數據可通過通信接口上傳至上位機監控。

圖5 功率因數控制器接線原理

3.3 電容補償柜的自動投切運行

用于無功補償的并聯電容器總容量為125 kvar，共分為5個回路，5 個電容器并聯按容量排列依次為30 kvar、30 kvar、25 kvar、25 kvar、15 kvar，圖5 中的KM1～KM5 是分別對應這5 個電容器的投切開關。

并聯電容器投切開關按KM1～KM5 順序依次投入運行，當檢測到功率因數滯后（感性）且小于0.85 時，并聯電容器依次投入運行，當檢測到功率因數滯后（感性）且大于0.94 時或檢測到功率因數超前（容性）時，將并聯電容器依次切除，為防止由于負荷的波動造成投切開關的頻繁通斷，進而產生投切振蕩，需設置一段延時時間（建議不少于15 s），如果觸發投切事件后在設定的延時段內又進入非投切事件，則取消此次投切動作。

3.4 經濟效益分析

兩個機加工車間在并聯電容補償裝置投入前功率因數和電壓偏低，補償前電流380 A；補償后功率因數增至0.9 以上，低壓配電柜輸出電壓380 V、電流210 A，從變電站到車間低壓配電柜架空線路上減少的功率損失ΔP=3×ΔI2×R=3×（380-210）2×0.07=6069 W=6.07 kW，廠區內電價約1 元/kW·h，電容補償裝置投資為每千瓦約60 元，計算投資收回天數為51 d，此低壓并聯電容補裝置運行51 個工作日后即可收回投資成本。

4 結語

整套自動無功補償裝置自2018 年2 月投入運行以來，期間除了進行正常的維護保養外，運行至今一直處于正常工作狀態。補償裝置在與車間低壓配電柜配套運行后，實際測量的功率因數均達到0.9 以上水平，低壓配電柜的輸出電壓均保持在三相380 V 以上，徹底消除了此前的機床設備由于低壓保護所造成的頻繁跳閘故障，改善了電壓質量，同時由于電壓的提升，使輸電線路上的電流減小，減少了廠區內輸電線路上的有功功率損耗，此方法投資少、見效快，既保證了車間內設備安全可靠運行，又可以使企業節省電耗，取得了良好的社會效益和經濟效益。