高压无功自动补偿的设计与应用

丁维星　白国伟　王　宽



高压无功自动补偿的设计与应用

丁维星白国伟王宽

山东方大工程有限责任公司

丁维星（1973-）男，山东黄岛人，工程师，二级建造师， 设备管理师，现任山东方大工程有限责任公司设备科科长，长期从事机电技术工作。

行业曲线

本文针对高压供电系统中无功自动补偿系统，提出高压电容自动投切及谐波治理的观点。在电力行业起到先进理念的带动作用。

如付诸现实将产生200万元/年的经济效益。

本文介绍了供电系统中高压无功自动补偿的设计及在本公司的应用

现场情况描述：山东方大工程有限责任公司属于6kV系统供电，自然功率因数在0.8左右，当负荷运行，正常生产时，功率因数仅为0.5～0.6左右。主要负荷有两台1000kVA的变压器（变压器后端负荷主要为交流异步电动机）、两台630kVA的变压器。两台1000kVA的变压器主要为型钢车间供电，一台630kVA变压器为厂用电，另一台630kVA变压器主要为办公、宿舍供暖用。

以上设备，除供暖用变压器低压侧安装补偿设备外，其余均未安装补偿设备。大量非线性负荷的应用，使电网的功率因数低，线路损耗增加，谐波含量大，危害电力系统的安全运行和工厂电气设备的安全经济运行。

为解决以上问题，拟在企业地上变电所6kV母线上装设滤波补偿成套装置，以起到滤除谐波，提高系统功率因数、改善电能质量、稳定电网以及节能降耗、降低运行成本、提高生产效率等目的。

装置要求

本工程6kV无功自动滤波补偿装置，补偿容量为4000kvar， 分4组， 分 别 为800kvar、800kvar、1200kvar、1200kvar，不等容投切。电容组需充分考虑抑制系统谐波，提高系统电压、使功率因数满足0.95以上。装置采用标准化柜体结构，每组均配控制开关、放电线圈、滤波电抗器、滤波电容器、高压喷逐式熔断器、避雷器、电流互感器、电压无功控制器、电容器组微机保护单元、柜内照明、高压带电显示器等，柜内悬空式母排走线。每组是独立的一套单元，可以独立的进行投切控制和保护。

功能范围

1.功能概述

本装置以母线电压、功率因数和无功功率为主要判断依据，在遵循“保证电压合格，尽量减少调节次数”的前提下，根据优化的“十二区图模糊控制原理” 对变压器有载调压分接头的自动调节和对6kV母线上的并联电容器组的自动跟踪投切（对于不等容电容器组，根据线路无功缺额的大小，选择最佳的电容器组合以减少电容器投切次数及提高电容器补偿精度），来实现对变电站母线电压和无功的综合控制，从而有效的减少功率损耗，提高电网功率因数和电网电压质量。

2.基本功能

控制智能化。本装置可自动适应变电站的各种运行方式，包括单台变压器运行、两台变压器运行的各种运行模式。

运行方式灵活。本控制器具有调压自动补偿自动、调压手动补偿自动和调压自动补偿手动等多种运行方式，且1、2变调压和1、2段补偿可分别进行手动自动设置。

可分别控制两台主变的1～19档有载调压和1～4组电容器不等容投切。

过电压保护、低电压保护、电容柜总开关断开保护功能，当电网出现过电压或低电压，以及电容总柜断开时控制器自动切除所有电容组，且闭锁调压和补偿动作。

本装置具有自动检测单组电容投切控制机构拒动故障的功能，当出现该故障时控制器发出报警，且闭锁该组电容投切。

调压机构拒动、连调故障检测功能，当出现该故障时，装置发出调压急停命令，且闭锁调压功能。

本装置采用大屏幕液晶显示器，全中文菜单显示。用户可方便的查看控制器采集的模拟量、开关量、报警信息及运行参数等。

密码保护功能。控制器所有运行参数包括定值、通讯参数，均设有密码保护。只有输入正确的密码方可进入修改状态，且密码可由用户自行设定。

四遥功能。本控制器具有RS485通讯接口，采用标准的《CDT通讯规约》，可实现遥测、遥信信息上传，遥控投切电容组和遥控调压。

每组电容均配有开口三角电压保护，一段过流保护，二段过流保护，任一组电容发生故障时保护动作切除相应的电容组，其它电容组仍能正常运行不受影响。

自诊断与自恢复功能

开机后，软件自动检查主要硬件电路。

设有WATChDOG（看门狗）电路，可保证本系统在死机后能自行复位，重新启动运行。

装置可对控制对象进行手动控制操作，且自动和手动操作互为闭锁。

预留RS-485或RS-232通讯接口，可与变电站综合自动化联网，实现无人值守。

设备规范及结构

名称：6kV无功自动补偿装置

型号：VQC2-7.2/4000-4N

额定频率：50Hz

额定电压：7.2kV

补偿容量：4000kvar

单组补偿容量：800kvar、800kvar、1200kvar、1200kvar

投切组数：4

接线形式：星形

补偿方式：无功自动跟踪补偿

投切方式：寻优投切

二次控制系统工作电源

额定电压：AC/DC220V。

允许偏差-20%～+20%。

纹波系数小于5%。

额定功耗：≤550W。

出厂试验按有关规程测出实际值。

控制器的技术参数及性能要求

型号：VQC200B

工作电源

额定直流电源输入：220VAC/DC

电压模拟量输入：0～120V

电流模拟量输入：0.1～5A

功率消耗：＜20W

额定输入电压：交流100V（分别取自母线上TV的二次）

额定输入电流：交流5A（取自母线TA）

模拟量输入

交流模拟量电压50～120V（从TV二次侧来）

交流模拟量电流0～5.5A（从TA二次侧来）

通迅接口为RS485，可采用双绞线作为传输介质。

遥测

直接测量：Ⅰ段Ub、Uc、Ia；Ⅱ段Ub、Uc、Ia；

间接测量：Ⅰ段Ia、Ubc、Q、Cos；Ⅱ段Ia、Ubc、Q、Cos。

遥控

12路完成遥控，遥控合、遥控分，出口继电器接点最大导通电流为5A。

性能要求

测量精度

电压测量误差：≤0.5%

电流测量误差：≤0.5%

无功测量误差：≤2.0%

延时：延时时间10～60min可调，误差应大于+5%。

控制装置平均无故障工作时间MTBF（下限值）30000h。

抗干扰性能：能承受频率为1MHz及100Hz电压幅值共模2500V，差模1000V的衰减震荡波脉冲干扰试验，能承受严酷等组为Ⅰ级的震动响应，冲击响应试验。

电容器组微机保护单元的主要技术参数及性能要求

型号：SKPC100

工作电源

额定电压 AC/DC220V

允许偏差 -20%～+20%

纹波系数小于5%

额定输入电压：交流100V（取自电容器组TV的二次侧）

额定输入电流：交流10A（取自电容器组TA的二次侧）

保护功能

一段过流保护

二段过流保护

开口三角电压保护

任一组电容发生故障时微机保护动作切除该电容组，使该组电容投入动作被闭锁，其它电容组仍能正常运行不受影响。

电容器主要技术参数及性能要求

额定电压：6.6/√3kV

额定容量：267kvar、400kvar

电容允许偏差：0%- + 10%

介质结构：全膜介质结构，二芳基乙烷浸渍

介质损耗角正切值：≤0.05%（20℃时）

极间耐压：交流电压2.15倍的额定电压10s

直流电压4.30倍的额定电压10s

电容器的工频稳态过电压和相应的运行时间

1.10 UN 长期

1.15 UN 30min/d

1.20 UN 5min/d

1.30 UN 2min/d

电容器承受的过电压和相应的持续时间

3.0 UN 0.01s

2.0 UN 0.3s

1.7 UN 1s

1.3 UN 1min

1.15 UN 30min稳态过电流

电容器能在1.3倍的额定电流下持续运行，对于具有最大正偏差的电容器能在1.43倍的额定电流下持续运行。

电容器能承受100倍额定电流的涌流冲击，每年这样的涌流不超过1000次，其中若干次是在内部温度低于0℃，但不低于下限温度时发生的。

其他技术要求

装置的实际电容与其额定电容偏差应在电容的±5%。装置的主电路相间以及相与地之间应能承受短时（1min）工频耐受电压15kV。

母线之间连接处及主电路中各连接处的温升应不超过50℃，各电器设备的温升不应超过各自的规定。

装置的连续运行电压为1.00Un，且能在如下表所规定的稳态过电压运行相应的时间。

工频电压　最大持续时间　说 明1.10Un　长 期　指长期过电压最高值不超过1.10Un 1.15Un　每24h中30min　系统电压的调整与波动1.20Un　5 min　轻负载时电压升高1.30Un　1 min

装置能在方均根值不超过1.3倍电容器组额定电流的过电流下连续运行。

装置配置滤波电抗器，用以限制电容器组投入运行瞬间产生的涌流和抑制高次谐波。

依据系统实时无功及母线电压来选择电容器容量进行投切实现有载自动补偿。

装置配有DXN-10/Q型高压带电显示器和电磁门锁，具有强制闭锁功能，防止误开柜体门，以确保人员及设备安全；并设有柜内照明灯，可随时监测设备运行情况。

装置进线及柜内主母线采用LMY-50*5母排，各电容组分支母排采用LMY-30*3铝母排，全部母排分相套色差热缩管。

另根据现场情况需配置一块KYN28-7.2高压配电柜，型材车间高压盘计量技术改造。

图1为我公司无功补偿一次系统图。

图1

表1

无功补偿效益分析

1.补偿负荷情况、补偿容量及补偿后的功率因数

山东方大工程有限责任公司属于6kV系统供电，自然功率因数在0.8左右，当负荷运行，正常生产时，功率因数仅为0.52。主要负荷有两台1000kVA的变压器（变压器后端负荷主要为交流异步电动机）、两台630kVA的变压器。两台1000kVA的变压器主要为型钢车间供电，一台630kVA变压器为厂用电，另一台630kVA变压器主要为办公、宿舍供暖用。以上设备，除供暖用变压器低压侧安装补偿设备外，其余均未安装补偿设备。大量非线性负荷的应用，使电网的功率因数低，线路损耗增加，谐波含量大，危害电力系统的安全运行和工厂电气设备的安全经济运行。

本设计考虑在变电所6kV母线上装设滤波补偿成套装置，以起到滤除谐波，提高系统功率因数、改善电能质量、稳定电网以及节能降耗、降低运行成本、提高生产效率等目的。根据现场负荷情况，现本工程设计6kV无功自动补偿装置1套，补偿容量为2550kvar，分4组，容量分别为150kvar、400kvar、800kvar、1200kvar，使负荷小时，小容量的电容组可投入，实现不同容量的组合，以满足系统无功需求，补偿后无力率电费，功率因数达0.95以上。

2.治理谐波、提高功率因数的意义

1）提高用电质量，减少电力线路的电压损失，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，使电器设备寿命延长、生产稳定、质量提升、降低能耗、不会产生谐波导致开关误动作、这就有利于安全生产。

2）可节约电能，降低生产成本，减少企业的电费开支。例如当cosφ=0.5时的损耗是cosφ=1时的4倍。

3）由于减少了电网无功功率的输入，降低系统的能耗，从而能提高企业用电设备的利用率，进一步充分发挥企业的设备潜力，给用电企业带来效益。

4）可减少线路的功率损失及输送同容量有功的电流，提高电网输电效率。

5）因发电机的发电容量的限定，故提高cosφ也就使发电机能多出有功功率，即减少有功损失，又使线路及变电设备的容量降低。

3.补偿后的力率电费调整

对于山东方大工程有限责任公司的考核功率因数以0.52计，表1为功率因数调整电费表。

由表1可知，山东方大工程有限责任公司原功率因数为0.52，需要增收的电费为总额度的41%，加装无功补偿后功率因数提高至0.95时，其电费可少交电费总额的0.75%。

山东方大工程有限责任公司，按全年最大用电量2000000kWh计算，电量价格取0.92元，设一年供电8760h（365*24），补偿装置一年运行时间为3000h，则：

功率因数不满足供电部门要求时一年需要增收的电费：

2000000*0.92*41%=75.44万元

功率因数达到0.95时可以减收的电费：

2000000*0.92*0.75%=1.38万元。

一年减少的电费支出为75.44+1.38=76.82万

加装无功补偿提高功率因数可降低线路的有功损失及无功损失，其计算公式为：

ΔF=（Kj--tgδ）Qb*t*β

式中Qb——电容器补偿容量（kvar）；

Kj——无功功率节约当量（Kw/kvar）；

tgδ——电容器的介质损失角的正切值。

本线路无功当量Kj取0.1，tgδ=0.0005，山东方大工程有限责任公司电容器补偿容量为2550kvar，电容器年运行时间取3000h，电量价格β取0.92元。则加装无功补偿后一年减少的电费支出为：

△F=（0.1-0.0005）*2550*3000*0.92=70.0281万元

结语

无功补偿项目年增加供电效益明显，另从提高了设备的利用率、节约电网建设投资和改善电压质量、降低劳动强度等各方面考虑，有效地减少了检修次数降低了劳动强度，大大提高了供电可靠性，增加了供电能力，保证了供电质量，能收到较大的社会效益和经济效益。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.022