CGY型高压自动无功补偿在福兴矿的设计应用

孙伟 孔涛

（福兴集团，山东枣庄 277300）

CGY型高压自动无功补偿在福兴矿的设计应用

孙伟 孔涛

（福兴集团，山东枣庄 277300）

文章介绍了谐波对供电线路、电气设备的危害、谐波治理标准和谐波的抑制措施，以及无功补偿的原理及必要性，通过运行技术数据对比，自动根据负荷进行无功跟踪补偿将功率因数提高达0.96以上，根据电业局无功力率考核取得了良好的经济效益，并降低电压的畸变，消除了谐波对系统的干扰，提高矿井供电系统的稳定性。

CGY型高压 自动无功补偿 福兴矿 设计应用

1　谐波公害及抑制措施

1.1谐波的危害

谐波对电力系统的危害总体概括为以下几个方面：

（1）对供电线路的危害。1）影响线路的稳定运行。大部分供配电系统的电力变压器和电力线路均采用电磁继电器、感应式继电或晶体管继电器检测保护，在故障情况下，以确保线路和设备的安全。但电磁继电器和感应继电器由于谐波含量高容易导致继电保护误动作，因此，在谐波影响下不能充分有效地保护。晶体管继电器有很多优势，但由于采用了整流采样电路，易受谐波影响，产生误动作或拒动作。通过这种方式，谐波对供配电系统的稳定和安全运行造成严重威胁。2）影响电网的质量。电力系统中的谐波会使电网电压和电流波形的畸变。如民用配电系统中性线，因为负载如荧光灯、调光灯，电脑，会产生大量的谐波，其中三次谐波甚至高达40%；三相配电线路，相线的三整数次谐波叠加在中性线上将使中性线当前值可能超过相线电流。此外，相同频率的谐波电压和谐波电流产生谐波有功功率和无功功率，从而降低电网电压，电网容量的浪费。

（2）对电气设备的危害。

表1　公用电网谐波电压限值（相电压）

表2　注入公共连接点的谐波电流允许值

1）对电力电容器的危害。电网存在谐波时，投入电容其端电压的增加，电容电流增加，电容损耗功率增加。膜纸复合介质电容器的谐波损耗功率允许为没有谐波损耗功率的1.38倍，全膜电容器谐波损耗功率允许为没有谐波损耗功率的1.43倍时，谐波含量较高，但如果超过电容器允许的条件，将使电容器过电流和过载，损耗功率超过上述值，异常发热，电容器在电场和温度的作用下绝缘加速老化。特别是电容器在电网的电压畸变，也加剧了电网谐波，谐波发生扩大现象。此外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，峰值电压波在介质中的引起局部放电的，其电压变化率大，局部放电强度大，加速了绝缘介质老化，缩短了电容器的使用寿命。电压每上升10%，电容器寿命缩短的一半左右。此外，在谐波严重情况下，会导致电容器鼓肚、破裂或爆炸。

2）对电力变压器的危害。谐波使变压器的铜损增加，包括导体电阻损耗，导体的涡流损耗和外部漏通量引起的杂散损耗均会增加。谐波也会使变压器的铁损增加，这主要表现在铁心的磁滞损耗增加，谐波使电压波形变得越糟，磁滞损耗越大。上述两个方面的损失增加，降低了变压器的实际使用能力，需要考虑在选择变压器额定容量时预留的电网谐波含量。此外，谐波也引起变压器噪声增加，变压器噪声的振动主要是由于磁致伸缩的铁心，随着谐波次数的增加，振动频率在1 KHZ成分使混合噪音增加，有时还发出金属的声音。

3）对电力电缆的危害。高频谐波频率增加，加上电缆导体横截面积增大，趋肤效果更加明显，从而导致导体的交流电阻增大，使电缆所允许电流降低。此外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。

4）对危害电气设备。对电动机的危害： 谐波对异步电动机影响，主要是提高电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电机过热。尤其是负序谐波形成电机负序旋转磁场和电机旋转方向相反力矩，制动效果，从而减少电动机的输出。另外电机的谐波电流，当频率接近某个部分的固有频率会导致电动机的机械振动发出很大的噪音。

5）对低压开关设备的危害。配电断路器、电磁类型的断路器易受谐波电流的影响使铁损耗和发热增加，同时由于电磁铁和涡流效应的影响使脱扣困难，且谐振次数越高影响越大；热磁断路器，由于导体的集肤次应与铁耗增加，导致发热，额定电流与脱扣电流减少；电力断路器，谐波还要使额定电流减少，特别是峰值检测电路断路器额定电流减少更多。因此，上述三种配电断路器可能是由于谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。

保险丝通常由热熔片组合而成。对谐波流加热效应引起的趋肤效应是非常敏感的，如果谐波含量大，熔丝容易破裂。

6）干扰弱电系统设备。对于计算机网络、通讯、有线电视、报警、楼宇自动化和其他弱电设备，在电力系统中谐波通过电磁感应、静电感应和传导模式耦合到系统中，产生干扰。电感应和静电感应耦合强度与干扰频率成正比，通过公共接地传导耦合，存在许多不平衡电流入接地极，干扰弱电系统。

7）影响功率测量的准确性。目前用于电力测量仪表有电磁式和感应式，它们极易受到谐波的影响。特别是电能表（使用感应式），当谐波较大将产生计量混乱，测量不准。

1.2谐波治理的标准

随着1994年3月1日国家技术监督局发布《电能质量 公用电网谐波》——GB/T14549-93国家标准的颁布实施，以法律的形式规定了供电系统的谐波限制及治理标准。电力部门对谐波的危害和治理的认识也得到进一步提高，积极创造条件对供电系统的谐波进行综合治理。

（1）国家标准谐波电压限制。国家标准GB/T 14549-9《3电能质量 公用电网谐波》规定的公用电网谐波电压（相电压）限值见表1所示。

（2）国家标准谐波电流允许值。国标中规定在核定基准短路容量下注入系统公共接点的各次谐波电流允许值见表2所示。

1.3谐波的抑制措施

根据以上分析对比，系统内的5次及以上谐波含量相对较高，解决方式是并联无功补偿装置，在补偿回路串入电抗率为6%的铁芯电抗，这样既补偿了无功的同时，兼顾了对系统内谐波的抑制。

2　无功补偿的原理和必要性

2.1无功补偿的原理

电网输出的功率包括两部分；一是有功功率；二是无功功率.直接消耗电能，把电能转变为机械能，热能，化学能或声能，利用这些能作功，这部分功率称为有功功率；不消耗电能；只是把电能转换为另一种形式的能，这种能作为电气设备能够作功的必备条件，并且，这种能是在电网中与电能进行周期性转换，这部分功率称为无功功率，如电磁元件建立磁场占用的电能，电容器建立电场所占的电能.电流在电感元件中作功时，电流超前于电压90℃。而电流在电容元件中作功时，电流滞后电压90℃.在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反，互差180℃.如果在电磁元件电路中有比例地安装电容元件，使两者的电流相互抵消，使电流的矢量与电压矢量之间的夹角缩小，从而提高电能作功的能力，这就是无功补偿的道理.

2.2无功补偿的意义

（1）补偿无功功率，可以增加电网中有功功率的比例常数。（2）减少发，供电设备的设计容量，减少投资，例如当功率因数cosΦ=0.8增加到cosΦ=0.95时，装1Kvar电容器可节省设备容量0.52KW；反之，增加0.52KW.对原有设备而言，相当于增大了发，供电设备容量.因此，对新建，改建工程.应充分考虑无功补偿，便可以减少设计容量，从而减少投资。（3）降低线损，由公式△P%=（1-cosΦ1/cosΦ2）X100%得出其中cosΦ2为补偿后的功率因数，cosΦ1为补偿前的功率因数则cosΦ2＞cosΦ1，所以提高功率因数后，线损率也下降了.减少设计容量，减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益.所以，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必。

3　无功补偿装置设计

无功补偿容量的计算式中

Qc-------------补偿装置容量（Kvar）

P--------------负荷功率（KW）

Cos1Ψ-------补偿前的功率因数

Cos2Ψ-------补偿后的功率因数

从测试数据来看，该段母线电压可取平均值，电流可取当日负荷最大时的电流值，功率因数可按照日平均功率因数选取（P=UI Cos1Ψ），目标功率因数取0.98。将测量数据表中的数据代入上式可计算得出：Qc=2100.5KVAR，为了确保补偿效果，该补偿装置预留20%左右的补偿裕量，同时考虑到电容器在使用过程中自身的衰减，取Qc=2500KVAR。

另每日最小负荷时所需的无功容量也可经上式计算，取当日最小电流值，代入上式计算可得Qcmin=448KVAR，可取500KVAR。这样母线可分3步进行投切，即500+1000+1000KVAR三步。并且在每一个补偿回路里面串联6%电抗器，以抑制5次以上谐波。

［1］GB/T 14549-93.《电能质量公用电网谐波》.2010.

［2］GB50227-95.《并联电容器装置设计规范》.2012.

［3］GB10229-88 .《串联电抗器》.2014.

孙伟（1979—），男，工程师，现任福兴集团有限公司机电矿长，从事煤矿机电管理等工作。孔涛（1985—），男，工程师，现任福兴集团有限公司机电工程师，从事煤矿机电技术工作。