无功补偿装置扩容后的效益分析

乔治岗，张征国，张小军，李晓娇

(陕西北元化工集团有限公司化工分公司，陕西 榆林 719319)

【供电与整流】

无功补偿装置扩容后的效益分析

乔治岗，张征国，张小军*，李晓娇

(陕西北元化工集团有限公司化工分公司，陕西 榆林 719319)

整流装置；无功补偿；扩容；效益分析

介绍了电容补偿的原理，分析了陕西北元化工集团有限公司化工分公司供电系统的概况，提出了无功补偿的方式，总结了增加高压动态无功补偿装置后的改进效果：降低了电压，减少了电缆发热现象及电能、线路等损耗，提高了功率因数，并改造成根据功率因数自动切换，进而提高了设备的使用效率、供电效率和电路电压的稳定性，减少了对电网的冲击，改善了供电环境。

企业用电设备在使用时会产生有功功率和无功功率。无功功率过大，会导致功率因数降低，供电变压器及输送线路的损耗增大，供电效率变低。

1 电容补偿原理[1]

配电柜电容补偿的电容与负载是并联连接的，由于电源本身存在内阻，当负载增大时，电源输出电压就会下降。电容的两端要维持原来的电压，将电容内的电量流出一部分，达到延缓电压下降的目的。电容补偿的目的就是解决电网无功容量不足、增装无功补偿设备、提高电网的功率因数，使电力系统安全运行。提高功率因数简单实用的方法就是并联电容器，产生电容电流抵消电感电流，将不做功的部分无功电流减小到可接受范围内。补偿无功后可以提高电压、降低线损、减少电费支出、节约能源，增加电网有功容量传输、提高设备的使用效率，改善电路电压的稳定性、减少对电网的冲击，对电网降损节电、安全可靠运行有着极为重要的意义。

2 扩容前概况

北元集团化工分公司聚氯乙烯二分厂(以下简称“北元化工聚氯乙烯二分厂”)35 kV、10 kV供电系统都采用单母分段接线方式，现运行的10 kV电容电抗器额定容量144 kvar,额定电流138.5 A，并列运行4组电容，每组3个并列电容器，电容器额定容量为200 kvar，运行电流124 A，无功2 160 kvar。

北元化工聚氯乙烯二分厂用电负荷在7 000～9 000 kV·A。负荷在7 000 kV·A时，功率因数还可以维持在0.90左右；一旦负荷达到8 000 kV·A以上，功率因数严重下滑至0.85左右。且运行电容柜电抗器声音较大、本体温度高，柜门机械闭锁失灵，并列电容器漏油、损坏频繁，熔断器多次熔断，对电网的安全稳定经济运行造成威胁。

进线功率因数0.85～0.89，无功损耗较大，造成了电能的严重浪费。

在10 kV电容故障，电网不能投运的情况下，功率因数降低到了0.79。

3 增加高压动态无功功率补偿装置后概况

将现电容室更换为高压HVC动态无功补偿装置1套(如图1所示)，采用国产TSC+HVC-U-10/4050-3高压动态无功功率补偿装置，单套高压动态无功功率补偿装置总容量为4 050 kvar。其中TSC容量共750 kvar，分1组,750 kvar；HVC容量共3 300 kvar，分2组，分别为1 800 kvar、1 500 kvar。该套设备由1面控制柜和3面电容柜组成，由控制柜统一协调控制。TSC和HVC互相配合，根据负荷变化组合投切。采用全新智能控制系统，微机监控，达到最佳优化投切方式。HVC补偿基本无功，TSC快速响应，组合投切实现细调，既可以保证补偿精度，又可以达到快速跟踪补偿的效果。高压动态无功功率补偿装置能够满足于电力系统的无功补偿需求，采用先进的控制技术，能够根据负荷变化动态调整补偿容量，实现对电压、无功功率的自动补偿与调节，响应时间≤20 ms。在补偿容量足够的情况下，功率因数始终保持在0.90以上。

图1高压动态无功功率补偿系统示意图

Fig.1Diagramofhigh-voltagedynamicreactivepowercompensationsystem

TSC+HVC-U-10/4050-3电气成套装置采用柜式结构，配有观察窗，便于系统监视、维护。同时柜门均装有点动式行程开关，开门跳闸，保证人身安全。

4 效果评价

4.1 降低电能消耗

高压HVC动态无功补偿装置投运后，功率因数由0.79提高到0.93，35 kV进线负荷假定为7 400 kW，电流可根据式(1)计算：

(1)

式中：U为电压，kV；I为电流，A；P为有功功率，kW；cosφ为功率因数。

无功补偿前：

无功补偿后：

电流降低值ΔI的计算公式为：

ΔI=I1-I2；

(2)

ΔI=154.5-131.3=23.3(A)。

可见：电流由154.50 A降为131.30 A，电流降低23.2 A，发电厂视在功率下降计算式为：

(3)

式中：ΔS为视在功率降，kW；ΔI电流降，A。

ΔS=1.732×35×23.2≈1 406.4(kV·A)。

发电厂功率因数假如为0.9，则有功下降：

ΔP=ΔScosφ；

(4)

其中：ΔP为功率降，kW。

ΔP=1 406.2×0.9≈1 265.7(kW)。

1天可节约用电量计算式为：

ΔW天=ΔP×24；

(5)

式中：ΔW为用电量，kW·h。

ΔW天=1 265.7×24≈30 378(kW·h)；

1年可节约用电计算式为：

ΔW年=ΔP×365；

(6)

ΔW年=1 265.7×365≈11 087 931(kW·h)。

电价按0.48元/(kW·h)计算，可节约电费M计算式为：

M=ΔW年×0.48×10-4；

(7)

M为节约电费，万元。

M=11 087 931×0.48×10-4≈532万(元)。

4.2 减少电缆发热

降低变压器的视在功率，也就是变压器和电缆的电流会降低，起减低损耗、提高电压、降低变压器配置容量的作用。母线及进线电缆热量均会降低：

Q热=I2Rt；

(8)

式中：Q热为线路总热量，kJ;R为电阻值，Ω；t为时间，h。

当电阻R和时间t一定时，电流I越小，导线上产生的热量越小；同时，电流降低，电缆载流量更加富裕，为化热电缆长期稳定运行奠定基础。

主变电流降低容量宽裕度相对增加了，对变压器绕组、终端头、高低压断路器电流截面更加富裕，主变的稳定运行得到保障。

4.3 减少线路损耗

在一定负荷下,输电线路功率因数低时,其铜损增大，母线的截面、保护开关的导电面积都必须加大才能通过更大的电流，线路损失公式见式(9)：

ΔP=3I2R；

(9)

式中：ΔP为线路损失，kJ。

由式(9)可见：电流越大，线路损耗越大。

4.4 降低线电压

提高功率因数可以减少线路电压，电力网的电压损失可借式(10)求出线路电压降：

ΔU=(PR+QX)/U；

(10)

由式(10)可见：出无功功率Q越大，ΔU越大。

4.5 减少交供电局供电费用

供电局根据功率因数增减收电费(见表1)。

表1 供电局根据功率因数增减收电费数据表Table 1 Increase orreduction in electric charge according to power factor

假定功率因数保持在0.93，负荷为7 400 kW，按每月30天、电费0.48元/(kW·h)计算，功率因数保持在0.93时供电局电费优惠比例为0.45%，则每月少交电费：

7 400×24×30×0.48×0.45%=1.15万(元)。

4.6 根据设定功率因数自动投切

装置根据电网功率因数所需给出控制信号，控制高压真空接触器，将电容器组投入或切除(现设定为0.90～0.96)。当负载功率因数高于整定值时，控制高压真空接触器；将电容器组切除，电容器组退出工作；当负载功率因数低于整定值时，控制高压真空接触器将合适电容器组投入。电容器组的投入、退出，实现了10 kV配电系统的安全稳定经济运行。

5 结语

在北元化工聚氯乙烯二分厂供电系统中，无功负荷可以分为基础无功需求与动态无功需求两个部分。用高压TSC动态无功补偿装置补偿动态波动负荷，用高压HVC自动无功补偿装置对基础无功进行补偿，可以达到更经济的补偿效果。由晶闸管阀组(TSC)和真空接触器(HVC)投切相结合的无功补偿装置，采用全新智能控制系统，微机监控，可达到最佳优化投切方式。HVC补偿基本无功，TSC快速响应，组合投切实现细调，既可以保证补偿精度，又可以达到快速跟踪补偿的效果。对10 kV无功补偿装置更换后，北元化工聚氯乙烯二分厂真正实现了供电系统无功补偿的“安、稳、长、满、优”和经济运行。

[1] 刘娟，贺翠连，张存龙.浅谈东滩矿电厂无功补偿装置扩容改造[J].科技信息，2010，2(17)：960.

Analysisofbenefitduetoexpansionofreactivepowercompensationdevice

QIAOZhigang,ZHANGZhengguo,ZHANGXiaojun,LIXiaojiao

(Chemical Branch of Shaanxi Beiyuan Chemical Industry Group Co., Ltd., Yulin 719319, China)

rectifier device; reactive power compensation; capacity expansion; benefit analysis

The principle of capacitance compensation was introduced. The situation of power supply system for Chemica Branch of Shaanxi Beiyuan Chemical Industry Group Co. Ltd. was analyzed. The mode of reactive power compensation was proposed. The effect of adding high-voltage dynamic reactive power compensation device was summarized. The effect included voltage reduction, reduction in temperature raise of power cable, reduction in electric loss of wire, increase in power factor and automatic switching with the change of power factor. Thus, the service efficiency of equipment, the power supply efficiency, and the stability of circuit voltage increased, the impact to the power grid reduced, and the power supply environment improved.

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张小军(1983—)，男，助理工程师，2006年毕业于榆林学院物理教育专业，现于陕西北元化工集团有限公司化工分公司聚氯乙烯二分厂从事电气专业管理工作。

2017-05-28

TM46

B

1008-133X(2017)09-0001-03

[编辑：费红丽]