区域集中供冷项目10 kV冷水机组专用变压器空载补偿探讨

叶宏伟

摘 要：研究了区域集中供冷项目10 kV冷水机组专用20/10 kV-10 000 kVA变压器的系统部署方法和无功补偿系统的设置，并采用了全电磁一次投切的容性无功补偿系统和发挥了抗性无功补偿的相互作用，有效解决了系统在空载时无功补偿需求与全负荷时无功补偿需求的巨大差异问题。

关键词：区域集中供冷；冷水机组；专用变压器；空载补偿

中图分类号：TM46 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.065

区域供冷系统是为了满足某一特定区域多个建筑物的空调冷源要求，由专门的供冷站集中制备冷水，并通过区域管网供给冷冻水的供冷系统。与各单体建筑独立设中央空调系统相比，采用区域供冷系统可减少制冷机组总装机容量的20%～30%，从而减少初投资、缩小占地面积。采用集中大型冷水机组有利于提高系统能效，具有节能、环保等优势。由于前期负荷较低、季节性因素等，导致变压器的空载补偿成为了非常重要的问题。本文以某区域集中供冷项目工程为例，集中探讨、解决变压器空载时的低功率因数补偿问题。

1 工程实例分析

本区域集中供冷项目考虑到制冷主机大容量运行时经济性较高、制冷站面积的局限性等问题，双工况离心式冷水机组、机载离心式冷水机组均采用10 kV主机（国内外区域供冷大型空调主机均为10 kV供电），可使冷水机组的安装数量减少，从而降低工程的初期投资，具体如表1所示。

根据空调制冷主机的负荷特性，该区域供冷项目制冷站设置了1台 10 000 kVA（一期） 20/10 kV 变压器、1台12 500 kVA（二期） 20/10 kV变压器（供给10 kV冷水机组用电）和8台2 000 kVA 20/0.4 kV 变压器（供给冷站配套的照明动力、制冷主机配套的一级和二级泵和融冰泵等用电），具体如表2所示。

2 无功补偿技术的作用

采用无功补偿技术可根据功率因素进行无功补偿，这是因为无功功率在电网中的消耗是巨大的，在输、变和配电过程中，设备会大约消耗50%的无功功率，剩下的50%用于负载。因此，为了使无功功率消耗率降低，就必须减少电网中的无功功率流动，从一开始运作就增加无功补偿，提高电负荷的功率因数，从而降低损耗。此外，还可根据网损微增率进行无功补偿。如果电网的覆盖范围较大，则当判断它的无功补偿分配是否合理，是否能达到最小总消耗时，往往通过简单提高功率和无用功的经济量是无法确定的，需要根据网损微增率的分配情况进行无功补偿。

3 无功补偿技术的实现方式

本项目的实际装机容量达到了38 500 kVA，其中，仅一期就有10 kV大型冷水机组6台，总装机容量为10 000 kVA。由于前期的用户接入量小，变压器的最大有功负荷仅为20%左右，加之季节性因素的影响，很多时候其有功负荷可能低于10%，甚至空载，而通常变压器空载的功率因数只有0.2～0.3.

同时，当10 kV压缩机M启动时，变压器负荷常超过90%，这是因为其容性漏电负荷基本消失，无功负荷的形式从容性无功变为抗性无功。当变压器负荷在90%时，其抗性无功可占到其容量的70%，进而给35 kV总线带来的抗性升压更加明显。

因此，基于小容量变压器的容性无功状态和抗性无功状态反复切换，本文提出的新系统基本不需要基于SCM的多级无功补偿方法，而需要根据系统的实际负荷和压缩机M的启停变化，在变压器前置布置1个可切换的无功补偿设备。

基于SCM的多级无功补偿方法是将系统可能发生的最大无功补偿划分为5～7个分级，由SCM系统根据系统的无功状态选择投入的无功补偿设备状态。虽然本文提出的新系统也存在无功状态的变化，但不需要进行无功补偿的分级切换，只需要使系统快速判断压缩机M的运行状态，从而确定投入全部容性无功设备，还是投入全部抗性无功设备。

4 无功补偿技术的应用

由于容性无功在变压器满载时基本无法体现，所以，本文需求的无功补偿主要是在变压器空载时充分补偿变压器空载的容性漏电无功，且在变压器满载时及时变更以抗性无功为主的无功补偿策略。

4.1 容性补偿选型

从上述分析得出，本文使用的电容器容量应达到每组20/10 kV，共3组，分别并联至相间。断路器采用气动动作，开合周期<100 ms，拉焰时间<50 ms。

4.2 抗性补偿选型

从上述分析得出，本文使用的电抗器应达到每组20/10 kV

每组，共3组，分别并联至相间。投切开关使用10 kV/5 A断路器，分别布置在电容器两端。断路器采用气动动作，开合周期<100 ms，拉焰时间<50 ms。

2组共12个断路器，相互之间形成联动和互斥的关系。断路器通过遥控线相互关联。本系统采用电磁控制的原理，当空压机M的10 kV/60 A-J闭合时，通过耦合线圈取得信号，抗性补偿6个断路器闭合，容性补偿6个断路器弹开；当压缩机M的10 kV/60 A-J断开时，耦合线圈丢失信号，使用12 V补偿电源的常闭开关给出信号，容性补偿6个断路器闭合，抗性补偿6个断路器弹开。从理论上看，容性补偿开关和抗性补偿开关之间应布置互斥闭锁线路，但如果此两者的互斥性得到闭锁，就必须存在开关提前拉闸接触闭锁的情况，断路器投切时间难以保证在100 ms内完成。一旦投切时间超过100 ms，系统内的无功过电压故障可能会在刚性变压器中向下传输，给下级10 kV母线带来超过5个周期的浪涌电压。该模式对10 kV母线的损害较大，甚至会造成10 kV/60 A-D断路器过电压跳闸，给系统带来不必要的麻烦。因此，本系统没有使用容性补偿开关和抗性补偿开关之间的互斥闭锁。

即使是在智能化用电系统和全柔性用电系统中，电磁系统仍然是必不可少的部分。系统的最终动作是通过电磁系统执行的，本系统除下层400 V各接触器外，其他高压部分的开关（含400 V母线电源断路器400 V/125 A-D）只有5个。在这种简单的系统结构下，部署智能化设备的必要性不大，反而通过降低系统复杂度的全电磁控制设计可完全满足本系统的需要。

5 结束语

本文研究了小容量变压器在大容量固定负荷的状态下使用全电磁控制进行无功补偿的方式。由于系统空载状态下的容性漏电负荷和满负荷状态下的抗性无功负荷相互切换较为直接，所以，本系统采用了2组断路器直接控制高压侧的无功补偿，使系统实现快速、无条件的无功补偿切换，且此无功补偿切换直接在大容量用电器的接触器上引线遥控，进而实现了系统无SCM控制的快速无功投切，有效防止了下级负荷因无功增压而引起的浪涌。

参考文献

[1]黄留欣，黄磊，赵颖煜，等.电力系统容性无功及补偿[J].电力电容器与无功补偿，2013，6（06）：28-30.

[2]郭禧斌，陈富安，黄留欣.城市配电网容性无功补偿研究[J].电力电容器与无功补偿，2014，2（02）：36-37.

〔编辑：张思楠〕