新型模块式无功补偿装置在低压配电系统改造中的运用

李玉珍，安春江

（唐山三友化工股份公司，河北 唐山 063305）

随着我公司生产规模的不断扩大，以及生产能力的不断提高，电力负荷也随着相应的增加，电力系统本身的电气损耗日趋明显，造成了电能的巨大浪费和经济上的损失。节能降耗工作是摆在我们面前的首要问题，而采用无功补偿装置对系统无功进行补偿成为电气节能改造工作的首要手段，然而面对实际情况，采取有针对性的补偿方案又为我们电气技术人员提出更高的要求。因为我们面对的大多为老的配电系统，建厂之初的无功补偿装置多已报废，而新增加又没有安装空间，且由于用电负荷随着生产规模的不断扩大变化较大，选择一种即能够充分利用老的开关柜又能随着负荷增加方便增容的无功补偿方式成为我们要解决的主要矛盾。现以钙业公司低压系统无功补偿装置改造项目为例介绍利用新型动态模块式无功补偿装置进行改造的经验。

1 问题的提出

钙业公司低压电力系统由四台变压器分为四段运行，每一段安装一套无功补偿装置，共有6面无功补偿控制柜。由于采用的传统接触器动态补偿方式，而钙业公司生产负荷变化较大且比较频繁，造成无功补偿自动投切动作频繁，多年来电容涨鼓损坏、接触器触点烧毁事故频繁，虽经我们通过购置优质电容器等电器元件进行更换使事故率有所降低，但也只能是维持现状无法从根本上解决问题。

随着电力电子技术的成熟发展，无功补偿技术已向无触点瞬态控制发展，即根据生产负荷的情况实时控制晶闸管快速投入退出电容，以达到动态补偿的目的，从而减少接触器的频繁启动对电容器的冲击，达到保护电容器和接触器等电气元件的目的。但是由于电力系统为使用多年的老系统，无功补偿柜已安装于系统之中，如果采用购置新补偿柜投资较大而且配电室空间所限没有办法安装。如果采用在原补偿柜上改造可充分利用现有材料可以节约部分费用。但是目前市场上主要动态补偿产品多为分立元件，即将接触器更换为可控硅，通过分立电容器并联实现无功补偿。则必须购置各分立元件进行组装，这对设计、安装人员又提出了更高的要求，根据以前改造经验每套补偿柜的改造时间约在3天左右，费时、费力且改造效果不太理想。

2 新型模块式动态无功补偿装置

根据以上情况，我们查找更适合我公司实际情况的替代产品，最终新型模块式动态无功补偿装置成为了我们的首选。ZLD－1100型智能低压调谐滤波电力电容器模块采用先进的技术与工艺，由断路器、晶闸管、高品质电抗器和滤波型低压电力电容器、智能控制及保护组件组合而成。其响应时间20毫秒，滤波效果显著，运行安全可靠。

工作原理：

该产品将断路器、晶闸管、高品质电抗器、滤波型电力电容器、智能控制以及保护组件组合在一个模块内如图1所示。

图1 新型模块式动态无功补偿装置

空气断路器作为单只模块的总开关，并作为模块的速断保护，当电容器出现击穿、短路等严重故障时，断路器可以切断故障模块和电力系统的联系，以保护系统的安全，防止事故扩大。

大功率可控硅投切单元晶闸管选取德国原装西门康品牌，采用过零触发技术，投切时无涌流、无震荡、无操作过电压、无须放电即可再投，在投切速度和过零精度方面达国内一流水准。

高品质电抗器和补偿滤波专用全膜电容器组成LC（滤波电抗器＋滤波电容器）调谐滤波回路，吸收5次及以上次数的谐波并对系统提供无功补偿。

采用智能化控制、保护组件，对补偿装置实施智能滤波补偿控制及智能保护措施。具有过压、欠压、失电、缺相、过温等多种保护功能；可以对三相电压、电流实时波形、相位、谐波含量的测量显示、统计分析，测量、统计并存储系统电能质量参数、异常状态告警信息并可根据告警信息设定24路输出信号驱动外部电路；输入信号与控制信号采用光电隔离，控制板输出与可控硅触发信号电磁隔离技术，具有极强的抗干扰能力，能在谐波突出、冲击性大的负荷环境下可靠运行。

3 改造方案

根据变电所集中装设的无功补偿容量可以按照主变容量的20%～40%选择规定，同时结合系统实际运行参数计算补偿容量。以钙业公司低压I段为例。变压器额定容量1 600kVA，实际运行功率因数0.81，运行电流1 200A左右，无功478kvar，有功668kW。如功率因数补偿到0.94以上，则补偿装置发出的无功功率为：

Q＝P（tanφ1－tanφ2）＝668×（tanarccos0.81－tanarccos0.94）＝240kvar

由于主变容量为1 600kVA，按照主变容量的30%选择无功补偿容量为480kvar，因此无功补偿装置容量选择480kvar完全可以满足系统现在和将来的需要，以一套480kvar无功补偿装置为例，每一个补偿模块补偿容量60kvar，则需要8个ZLD－1100SZ／525－60－7%模块组合而成，考虑系统中变频器较多，谐波以5次谐波为主，为此电抗器的电抗率应在6%以上，而模块的电抗器电抗率为7%可以满足系统的需要。改造原理图如图2所示。

图2 480kvar无功补偿装置

由图2可知，改造时只需将主电缆接入到模块内，利用485串行接口实现模块之间的通信，由控制器控制模块的投入。使其改造工作量大大减低，实际证明4套无功补偿装置改造仅用了两天时间改造完成，同时对施工人员的技术要求也大大降低。

4 效益分析

从表1中可以看出，电容柜智能无功补偿后系统电压提高2～9V，系统电流、无功缺额、视在功率降低，功率因数提高到0.93以上。

（1）根据无功经济当量Kq可计算出年增电费开支，主变因无功补偿不足而增加的有功损耗为：

表1 电容柜改造前后数据对比表

OP′＝Kq×Q

OP′为有功损耗量；Kq为经济当量；Q为无功缺额。

钙业公司供电系统属三级变压Kq＝0.08～0.1，取中间值Kq＝0.09。

因缺少无功补偿而增加的有功消耗，计算得：

Ⅰ段变：OP′＝0.09×（478－227）kvar＝22.59kW

Ⅱ段变：OP′＝0.09×（490－214）kvar＝24.84kW

Ⅲ段变：OP′＝0.09×（93－56）kvar＝3.33kW

Ⅳ段变：OP′＝0.09×（165－101）kvar＝5.76kW

（2）在某一额定电压情况下有功负荷不变，由于功率因数变化其线路损耗亦变化，线损变化率为：

式中，OP%为线损变化率；COSΦ1为补偿前功率因数；COSΦ2为补偿后功率因数。

计算得：

Ⅰ段变：OP%＝25.4%

Ⅱ段变：OP%＝34.5%

Ⅲ段变：OP%＝17.4%

Ⅳ段变：OP%＝17.0%

根据国标，线路损耗占用电量的2%，增加的线损有功功率为：

Ⅰ段变：668kW×2%×25.4% ＝3.39kW

Ⅱ段变：571kW×2%×34.5% ＝3.94kW

Ⅲ段变：156kW×2%×17.4% ＝0.53kW

Ⅴ段变：261kW×2%×17.0% ＝0.89kW

（3）现综合（1）、（2）两项，电容柜实施智能无功补偿改造后每年减少电费支出：

［（22.59＋24.84＋3.33 ＋5.76）＋（3.39＋3.94＋0.53＋0.89）］×0.46元×24h／天×360天＝259 409元

从以上计算可以看出，电容柜实施智能无功补偿改造后一年可节约25.9万元的电费支出，还不包括因功率因数低引起的力调电费（无功罚款），可以说经济效益是相当可观的。