電容器投切對無功補償?shù)挠绊?/h1>
2013-11-12 13:11:12于起媛張曉崢任建軍王國泉
科技視界 2013年27期
于起媛 張曉崢 任建軍 王國泉
(國網(wǎng)北京平谷供電公司，中國 北京 101200）
在電路中接入電容可以為設(shè)備提供無功功率，提高功率因數(shù)。由于我們的設(shè)備不可能是純?nèi)菪曰蚣兏行缘?，且設(shè)備運行的狀態(tài)也是不可預(yù)知的，如開、關(guān)機，或開機時不同工作狀態(tài)所需要的無功功率都不相同。當補償器提供的無功功率大于設(shè)備所需時，也會對電網(wǎng)造成極大影響。所以我們需要適時的調(diào)整無功功率的補償來匹配設(shè)備所需的無功功率，即電容組投切方式。
1 無功在供電系統(tǒng)中的影響
1）接在電網(wǎng)中的許多用電設(shè)備是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，我們最常見的變壓器就是通過磁場才能改變電壓并且將能量送出去，電動機才能轉(zhuǎn)動并帶動機械負荷。電容器在交流電網(wǎng)中接通時，在一個周期內(nèi)的，上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，不消耗能量，這種充放電功率叫做容性無功功率。
2）無功功率增大，即供電系統(tǒng)的功率因數(shù)降低將會引起：
（1）增加電力網(wǎng)中輸電線路上的有功功率損耗和電能損耗。若設(shè)備的功率因數(shù)降低，在保證輸送同樣的有功功率時，無功功率就要增加，這樣勢必就要在輸電線路中傳輸更大的電流，使得此輸電線路上有功功率損耗和電能損耗增大。
（2）系統(tǒng)中輸送的總電流增加，使得供電系統(tǒng)中的電氣元件，如變壓器、電氣設(shè)備、導線等容量增大，從而使用戶的起動控制設(shè)備、測量儀表等規(guī)格尺寸增大，因而增大了初投資費用。
（3）功率因數(shù)過低還將使線路的電壓損耗增大，結(jié)果負荷端的電壓就要下降，甚至會低于允許偏移值，從而嚴重影響異步電動機及其它用電設(shè)備的正常運行。特別在用電高峰季節(jié)，功率因數(shù)太低會出現(xiàn)大面積地區(qū)的電壓偏低，將給油田的生產(chǎn)造成很大的損失。
（4）使電力系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備容量不能充分利用，因為發(fā)電機或變壓器都有一定的額定電壓、額定電流和額定容量，在正常情況下，這些參數(shù)是不容許超過的，若功率因數(shù)降低，則有功出力也將隨之降低，使設(shè)備容量不能得到充分利用。
2 減少無功，提高功率因數(shù)的方法
2.1 提高自然功率因數(shù)
自然功率因數(shù)是指未裝設(shè)任何補償裝臵的實際功率因數(shù)。提高自然功率因數(shù)，采用科學措施減少用電設(shè)備的無功功率的需要量，使供配電系統(tǒng)總功率因數(shù)提高。
①合理選擇用電設(shè)備的規(guī)格、型號；②防止用電設(shè)備輕載運行；③保證用電設(shè)備的維修質(zhì)量；④合理選擇變壓器的型號、容量。
2.2 人工補償提高功率因數(shù)
并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、同步補償器、TCR、TSC、SR等，目前，在油田變電站中，提高自然功率因數(shù)，減少無功，可能性不大，是因為變電站建站初期，設(shè)備的選型、設(shè)計決定了自然功率因數(shù)的提高。而人工補償提高功率因數(shù)，在不增加投資的情況下，并聯(lián)電容器是應(yīng)用最直接、最明顯的無功補償技術(shù)方式，也是油田變電站現(xiàn)有條件下，能夠做到的。
3 并聯(lián)電容器補償
并聯(lián)電容器是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的無功功率補償裝臵，其優(yōu)點是：投資省，運行經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，容量可以任意選擇，適應(yīng)性強。
3.1 并聯(lián)電容器提高功率因數(shù)的原理
在電力系統(tǒng)中感應(yīng)電動機約占全部負荷的50%以上，在電力系統(tǒng)的用戶中還存在著大量無功源如軋鋼機、電弧爐、電氣化鐵道等，因此總電流I將滯后電壓一個角度，如果將并聯(lián)電容器與負載并聯(lián)，則電容器的電流IC將抵消掉一部分電感電流IL使總電流減小，功率因數(shù)提高，這就是并聯(lián)補償?shù)脑怼?/p>
并聯(lián)電容器補償無功不僅減小了網(wǎng)絡(luò)的有功損耗，還提高了電網(wǎng)的傳送能力和負荷側(cè)的功率因數(shù)。在負荷側(cè)安裝并聯(lián)電容器，不僅能改變網(wǎng)絡(luò)中的無功分布，提高負荷側(cè)的功率因數(shù)，還可以達到調(diào)壓的目的。
3.2 補償容量和電容器臺數(shù)的確定
式中，Qcc為補償容量；P 為平均有功負荷，P=αPc或 Wα/t，Pc為負荷計算得到的有功計算負荷，α為有功負荷系數(shù)，Wα為時間t內(nèi)消耗的電能；tgφ1為補償前平均功率因數(shù)角的正切值；tgφ2為補償后平均功率因數(shù)角的正切值。
3.3 并聯(lián)電容器組的接線
并聯(lián)電容器的接線一般可分為△形和Y形?！餍尾皇苋嚯娙萜魅菘共黄胶獾挠绊?，可補償不平衡負荷。但當電容器等發(fā)生短路事故時，短路電流大，可選用的繼電保護方式少。采用Y形接線時，不僅設(shè)備故障時短路電流較小，繼電保護構(gòu)成也方便，而且設(shè)備布臵清晰，但對3n次諧波沒有通路，故廣泛用于6kV及以上并聯(lián)電容器組。
4 電容器補償?shù)耐肚蟹绞?/h2>4.1 變電站常規(guī)開關(guān)投切
電容器采用開關(guān)投切的無功補償，不能根據(jù)無功需求的變化進行自動補償，導致低谷時段電壓偏高電容器無法投入運行，造成較大線損。
4.2 補償裝臵動態(tài)投切
實現(xiàn)對電力系統(tǒng)電壓和無功補償?shù)膭討B(tài)控制、提高功率因數(shù)有以下意義：
（1）維持監(jiān)視點的電壓水平；
（2）實現(xiàn)系統(tǒng)中無功的最優(yōu)分配，保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行；
（3）提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
采用模擬量或微電腦功率因數(shù)檢測，通過中間繼電器（或固態(tài)繼電器）接通斷路器，控制補償電容器投入或切除。但存在的很多問題：
（1）會產(chǎn)生很大的合閘涌流和電壓閃變，甚至引起系統(tǒng)振蕩；
（2）斷開弧光大；
（3）補償電容器及接觸器易損壞，一年后90%以上不好用。
4.3 無功自動調(diào)節(jié)裝置
采用特殊的自耦調(diào)壓器通過調(diào)節(jié)電容器兩端電壓來改變無功出力，滿足系統(tǒng)對容性無功的要求，達到提高功率因數(shù)減少線損的目的。
由電壓調(diào)節(jié)器、微機控制器、電容器三部分組成。而它的微機控制器是將主變高壓側(cè)電流電壓按九區(qū)圖有理分析判斷，發(fā)出指令自動調(diào)節(jié)電容器端電壓和主變分接開關(guān)使功率因數(shù)及電壓都在合格范圍內(nèi)，并且能夠解決低谷時段電壓偏高電容器無法投入的問題。和其他電容器無功補償投切方式相比有以下優(yōu)點：
（1）電容器固定接入不分組投切即或有九檔輸出，容量從100%-36%額定無功容量。
（2）調(diào)切過程無過電壓和涌流可保證電容器和系統(tǒng)安全運行。
（3）可保證電容器運行在額定電壓以下延長電容器使用壽命。
中區(qū)供電公司110kV辛四變6kVⅡ段母線采用無功自動調(diào)節(jié)裝置，在電容前串入電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)范圍60%-100%額定電壓，容量為2000kVar，電壓等級為6kV。
經(jīng)過現(xiàn)場運行表明：
（1）采用無功自動調(diào)節(jié)裝臵可有效地提高變電站的功率因數(shù)，達到0.93以上。
（2）在滿足提高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，也能有效地提高網(wǎng)壓水平，降低變壓器功率損失和網(wǎng)損，增加了供電系統(tǒng)的輸出能力。
5 結(jié)論
電力電容器是電力系統(tǒng)無功補償?shù)氖侄?，運行中并聯(lián)電容器的容性電流抵消感性電流，使傳輸元件如變壓器、線路中的無功功率響應(yīng)減少，因而，不僅降低了由于無功的流向而引起的有功損耗，還減少了電壓損耗，提高了功率因數(shù)。所以投切并聯(lián)電容器進行各級電網(wǎng)的無功補償是電力系統(tǒng)最廣泛的應(yīng)用方法。
[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業(yè)出版社，1999.
[2]許業(yè)清.實用無功功率補償技術(shù)[M].中國科學技術(shù)大學出版社，1998.
[3]靳龍章，丁毓山.電網(wǎng)無功補償實用技術(shù)[M].中國水利水電出版社，1997.
[4]電力系統(tǒng)自動化[J].
[5]中國電力[J].
[6]水利電力部.全國供用電規(guī)則[S].
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1）接在電網(wǎng)中的許多用電設(shè)備是根據(jù)電磁感應(yīng)原理工作的，我們最常見的變壓器就是通過磁場才能改變電壓并且將能量送出去，電動機才能轉(zhuǎn)動并帶動機械負荷。電容器在交流電網(wǎng)中接通時，在一個周期內(nèi)的，上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，不消耗能量，這種充放電功率叫做容性無功功率。
2）無功功率增大，即供電系統(tǒng)的功率因數(shù)降低將會引起：
（1）增加電力網(wǎng)中輸電線路上的有功功率損耗和電能損耗。若設(shè)備的功率因數(shù)降低，在保證輸送同樣的有功功率時，無功功率就要增加，這樣勢必就要在輸電線路中傳輸更大的電流，使得此輸電線路上有功功率損耗和電能損耗增大。
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（3）功率因數(shù)過低還將使線路的電壓損耗增大，結(jié)果負荷端的電壓就要下降，甚至會低于允許偏移值，從而嚴重影響異步電動機及其它用電設(shè)備的正常運行。特別在用電高峰季節(jié)，功率因數(shù)太低會出現(xiàn)大面積地區(qū)的電壓偏低，將給油田的生產(chǎn)造成很大的損失。
（4）使電力系統(tǒng)內(nèi)的電氣設(shè)備容量不能充分利用，因為發(fā)電機或變壓器都有一定的額定電壓、額定電流和額定容量，在正常情況下，這些參數(shù)是不容許超過的，若功率因數(shù)降低，則有功出力也將隨之降低，使設(shè)備容量不能得到充分利用。
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并聯(lián)電容器補償無功不僅減小了網(wǎng)絡(luò)的有功損耗，還提高了電網(wǎng)的傳送能力和負荷側(cè)的功率因數(shù)。在負荷側(cè)安裝并聯(lián)電容器，不僅能改變網(wǎng)絡(luò)中的無功分布，提高負荷側(cè)的功率因數(shù)，還可以達到調(diào)壓的目的。
3.2 補償容量和電容器臺數(shù)的確定
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3.3 并聯(lián)電容器組的接線
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4 電容器補償?shù)耐肚蟹绞?/h2>4.1 變電站常規(guī)開關(guān)投切
電容器采用開關(guān)投切的無功補償，不能根據(jù)無功需求的變化進行自動補償，導致低谷時段電壓偏高電容器無法投入運行，造成較大線損。
4.2 補償裝臵動態(tài)投切
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（2）實現(xiàn)系統(tǒng)中無功的最優(yōu)分配，保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行；
（3）提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
采用模擬量或微電腦功率因數(shù)檢測，通過中間繼電器（或固態(tài)繼電器）接通斷路器，控制補償電容器投入或切除。但存在的很多問題：
（1）會產(chǎn)生很大的合閘涌流和電壓閃變，甚至引起系統(tǒng)振蕩；
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4.3 無功自動調(diào)節(jié)裝置
采用特殊的自耦調(diào)壓器通過調(diào)節(jié)電容器兩端電壓來改變無功出力，滿足系統(tǒng)對容性無功的要求，達到提高功率因數(shù)減少線損的目的。
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（1）電容器固定接入不分組投切即或有九檔輸出，容量從100%-36%額定無功容量。
（2）調(diào)切過程無過電壓和涌流可保證電容器和系統(tǒng)安全運行。
（3）可保證電容器運行在額定電壓以下延長電容器使用壽命。
中區(qū)供電公司110kV辛四變6kVⅡ段母線采用無功自動調(diào)節(jié)裝置，在電容前串入電壓調(diào)節(jié)器，電壓調(diào)節(jié)范圍60%-100%額定電壓，容量為2000kVar，電壓等級為6kV。
經(jīng)過現(xiàn)場運行表明：
（1）采用無功自動調(diào)節(jié)裝臵可有效地提高變電站的功率因數(shù)，達到0.93以上。
（2）在滿足提高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，也能有效地提高網(wǎng)壓水平，降低變壓器功率損失和網(wǎng)損，增加了供電系統(tǒng)的輸出能力。
5 結(jié)論
電力電容器是電力系統(tǒng)無功補償?shù)氖侄?，運行中并聯(lián)電容器的容性電流抵消感性電流，使傳輸元件如變壓器、線路中的無功功率響應(yīng)減少，因而，不僅降低了由于無功的流向而引起的有功損耗，還減少了電壓損耗，提高了功率因數(shù)。所以投切并聯(lián)電容器進行各級電網(wǎng)的無功補償是電力系統(tǒng)最廣泛的應(yīng)用方法。
[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業(yè)出版社，1999.
[2]許業(yè)清.實用無功功率補償技術(shù)[M].中國科學技術(shù)大學出版社，1998.
[3]靳龍章，丁毓山.電網(wǎng)無功補償實用技術(shù)[M].中國水利水電出版社，1997.
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