高压无功自动补偿装置的合理选型与应用

李兆华

（山东钢铁股份有限公司济南分公司，山东济南250101）

供用电

高压无功自动补偿装置的合理选型与应用

李兆华

（山东钢铁股份有限公司济南分公司，山东济南250101）

通过对4条供电线路功率因数偏低的分析，设计确定了补偿方案，并研究解决了无功补偿中的涌流及限制、谐波及防护、过电压及保护等技术难题，设备投运后4条供电线路的功率因数均达到0.95以上，取得了满意的效果。

功率因数；负荷；补偿容量;无功补偿

1 前言

济钢总厂区高压供电系统由8个总降压区域变电站组成，各区域变电站下设多个10 kV/6 kV变电所及多套发电机组，主变总装机容量96.3万kVA；有8条110 kV电源进线、2条35 kV电源进线，分别来自济南供电公司220 kV历城变电站和韩仓变电站。二降压辅站、七降压4条供电线路功率因数＜0.9，严重影响供电系统的经济运行。

2 现状分析

（1）七降压两路110 kV电源分别来自历城变电站、韩仓变电站，分段运行；三台75 MVA主变压器，运行两台，备用一台，供出35 kV、10 kV电源至生产区域配电室。主要用电负荷为3200高炉、210 t转炉、4300厚板轧机等，运行负荷最高12万kW，平均5万kW。轧机、精炼炉等冲击负荷集中，运行负荷波动较大。4#TRT自35 kV并网运行，装机容量为2.5万kW。接线图如图1所示。

图1 七降压部分系统图

随着宽厚板区域的全面投产，用电负荷急剧增加，但由于接入电网的用电设备绝大多数是电感性负荷，自然功率因数低，降低有功功率的输出，影响变电、输电的供电能力；降低有功功率的容量；增加电力系统的电能损耗、增加输电线路的电压降等。电机和变压器中的磁场靠无功电流维持，输电线中的电感也消耗无功，从而七降压的历钢II线功率因数过低。

（2）二降压辅站两路35 kV电源均来自历城变电站，分段运行；两台3.15万kVA主变压器，供出10 kV电源至生产区域配电室。主要用电负荷为6#~9#焦炉、350高炉除尘风机、120 m2烧结等，运行负荷最高4万kW，平均3万kW。150 t干熄焦发电通过35 kV并网运行，装机容量2.5万kW。接线图如图2所示。

图2 二降压辅站部分系统图

目前运行中的二降压辅站，在10 kV各段设立了电容器无功补偿装置（两套计八组电容器），但由于设备运行时间较长，已部分故障损坏停止运行，但都很难实现自动切换补偿功能。

3 方案确定

为了更好的达到项目的目的，提出了四套设计方案进行比对。

（1）高压分散补偿。高压分散补偿实际就是在单台变压器高压侧安装的，用以改善电源电压质量的无功补偿电容器。

（2）高压集中补偿。高压集中补偿是指将电容器装于变电站或用户降压变电站6 kV~10 kV高压母线的补偿方式：电容器也可装设于用户总配电室低压母线，适用于负荷较集中、离配电母线较近、补偿容量较大的场所。用户本身又有一定的高压负荷时，可减少对电力系统无功的消耗并起到一定的补偿作用。其优点是易于实行自动投切，可合理地提高用户的功率因数，利用率高，投资较少，便于维护，调节方便可避免过补，改善电压质量。

（3）低压分散补偿。低压分散补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地安装在用电设备附近，以补偿安装部位前边的所有高低压线路和变压器的无功功率。其优点是用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出。可减少配电网和变压器中的无功流动从而减少有功损耗：可减少线路的导线截面及变压器的容量，占位小。缺点是控制薄弱，对上级总降压站的补偿能力低。

（4）低压集中补偿。低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功符合而直接控制电容器的投切。低压补偿的优点：接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率。降低网损的经济性高，但难以集中管理，对上级总降压站的补偿平衡能力低。

通过四种方案的比较，结合项目实施的目的和经济分析，决定选择第（2）种方案。

4 补偿系统的计算与设计

通过对当前基本技术指标的分析，对系统补偿功率进行计算，并对补偿前后的效益进行初步估算，以二降压辅站10 kVⅡ段为例进行分析。

一次配电电压Un=10 kV

总额定有功功率Pn=30000 kW

设备平均开动率Kx≈70%

4.1 配电变电所计算负荷

有功功率：Pj=Kx×Pn=21000 kW

无功功率：Qj=Pj×tg1=18520.26 kvar

4.2 负荷侧补偿容量计算

按改善功率因数确定负荷侧补偿容量的方法简单、明了。其计算公式如下：

式中，Qcf——从功率因数cos1补偿到cos2所需无

功功率容量，kvar；

将所有已知参数代入公式（1），可得负荷侧补偿容量：

Qcf=21000×{[（1/0.892）2-1]1/2-[（1/0.95）2-1] 1/2}＝21000×（0.882-0.484）=43358 kvar

4.3 配电变压器补偿容量计算

变压器属于电力系统感性元件，运行时也要消耗无功功率，而且，越是空载或者轻负荷时其功率因数越低。所以，配电变压器同样需要进行无功补偿，补偿容量可按下式计算：

由于采用式（2）计算补偿容量，需要知道配电变压器的具体参数，计算起来不是很方便。一般采用按变压器额定容量的5%～10%经验估算法进行计算，而且，由于补偿设备通常采用自动跟踪补偿方式，补偿容量一般确定为变压器额定容量的10%。

设配电变压器容量等于计算视在功率Sj，则：QcT=Sj×10%=48000×10%=4800 kvar

4.4 总补偿容量计算

系统总补偿容量等于负荷补偿容量与配变补偿容量之和，即：

将计算结果代入式（3），得：

Qc=43358+4800=48158 kvar

以上计算的总补偿容量为实际补偿容量，如果考虑抑制谐波所增加的串联电抗器，或者提高电容器安全运行系数，电容器的额定电压势必提高；所以，补偿设备的安装容量要大于实际补偿容量。

4.5 动态无功补偿的实现

动态无功补偿的实现就是根据无功电流(或功率)需求，计算其中基波电流(或功率或电抗)参考值，若装置的参考输入为无功电流需求，实时测得FC支路的电流有效值，则其支路电流的参考值即为前者减去后者。功率计算通过数据采集板(DAS)、数据处理板(DSP)、电源模块、驱动模块等完成。晶闸管的通过对电抗器的输出电流的控制。动态无功补偿系统，先采集系统的电压量、电流量、接触器位置，计算出系统的功率因数。

计算公式：QC≥P×（tanα1-tanα2）

式中，P——最大负荷月的平均功率；

补偿前的功角α1=arccosα1；

补偿后的功角α2=arccosα2。

根据实际功率因数给出控制信号，通过计算出需要补偿的无功量，动态无功补偿装置自动对电容器柜进行分合，动态满足无功总量，确保功率因数始终大于0.95。

通过计算：分别对二降压辅站I、II段10 kV母线各加装一套5 Mvar无功补偿装置，按照2.5 Mvar+1.5 Mvar+1 Mvar三级自动投切控制；七降压10 kVI段、II段母线，分别配置10 Mvar无功补偿装置各一套，按3 Mvar+3 Mvar+2 Mvar+2 Mvar四级自动投切控制，10 kV系统III段，配置9 Mvar无功补偿装置一套，按3 Mvar+2 Mvar+2 Mvar+2 Mvar四级自动投切控制。

改造后，4条供电线路功率因数确保平均≥0.94。

图3 无功补偿一次系统图

5 技术难点

5.1 无功补偿中的涌流及限制

运行中为了适应电力系统无功功率和电压变化而需要频繁地操作电容器组，当电容器组投入电网时，将会产生幅值很大和频率较高的冲击合闸涌流。涌流的持续时间一般小于10 ms。一般变电站单组电容器组合闸涌流低于10倍，最高可达20多倍，频率约为250~4000 Hz。大涌流会使开关触头熔化并烧损，当涌流超过开关的最大开合电流时，还会产生过大的电动力和内部压力而使开关损坏;高频涌流超过电容器所允许的涌流极限时，将加速绝缘老化或游离放电，还会使电流互感器一、二次绕组产生过电压而击穿绝缘。为了限制涌流，采取在电容器回路中加串联电抗器或开关加装并联电阻的措施。选用电抗值在0.1%~1%内的小电抗器。

5.2 谐波及防护措施

电网中有电压和电流两种高次谐波源。电压谐波主要是来自发电机的非正弦电压波形，电流谐波主要来自电路中的非线性阻抗元件，如铁芯饱和的主变压器、整流设备、可控硅和电弧炉等非线性元件引起的电流畸变，相应地产生电压畸变。谐波的防护措施主要有：

（1）将发生谐波的设备接到短路容量大的电网，以减少对地区电网的影响；

（2）整流装置采用多相整流，减少谐波分量；（3）加装交流滤波器；

（4）在电容器回路中，加装串联电抗器，使电容回路对谐波频率阻抗呈感性，从而抑制谐波分量。在为限制合闸涌流和抑制高次谐波的情况下，抑制5次波为主时，选择6%的电抗器;抑制3次谐波为主时，选择12%的电抗器。

5.3 过电压及保护措施

电容器的允许过电压和保护措施是电容器输出的无功功率和其有功损耗的与运行电压的平方成正比。当电压超过允许值时，将使电容器过负荷发热而影响其寿命。电容器允许在1.1倍额定电压下连续运行。在电容器组设计安装中，应装设过电压继电保护，将运行电压限制在1.1倍额定电压以下。

充分发挥并联补偿装置的调压作用，电容器组就必须随着电压及负荷的变动进行频繁投切，在开断容性负荷时，由于电容器极板上仍残留电荷，开关触头有可能承受2倍的额定电压峰值过电压，当开关触头弧隙绝缘恢复的速度低于恢复电压增长的速度时，则开关弧隙将被击穿而发生重燃，从而产生较高的过电压。重燃过电压及其防护措施有：采用开断电容电流性能良好，具有不重燃特性的高压开关；采用无火花间隙的氧化锌避雷器。

6 应用效果

2013年3月底投运以来，4~6月份二降压辅站历铁I线、历铁II线，七降压历钢II线、韩钢III线四条进线功率因数均提高至0.95以上，获济南市供电公司功率因数奖励252万元，平均84万元/月。

Rational Selection and App lication of High Voltage W attless Automatic Com pensation Device

LI Zhaohua
(JinanBranchofShandongIronandSteelCo.,Ltd.,Jinan25010,China)

Through analysis of low power factors of 4 power supply lines the compensation design was determined and technical problems such as surging and limitation,harmonic and protection and over-voltage and protection in wattless power compensation were studied and solved.After the device was put into operation,power factors in the 4 lines have reached 0.95 or more,bringing satisfactory results.

power factor;load;compensation capacity;wattless power compensation

TM 714.3

B

1006-6764(2014)02-0001-03

2013－11－05

李兆华（1966－），女，1987年毕业于山东工业大学电机专业，本科学历，高级工程师，现从事能源开发应用及设备管理工作。