某港区高压无功补偿设备的应用

王 峥， 王浩然， 钱 龙， 江 峰

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

随着国民经济和工业的高速发展和电力负荷的高速增长，电力用户对电能质量的要求也在不断提高，电力生产与供应比以往任何时候都重视电力系统运行的经济性，而其系统中的经济性和电能质量与无功功率有着十分重要的关系。无功补偿是电力系统中必不可少的功率，电网中的无功功率损耗和大量的感性负荷，要求系统能提供充足的无功补偿功率，否则会致使电力系统中电压下降，影响用电设备的正常运行。同时，无功功率分配的不合理也可能造成线路损耗的增加，降低电力系统运行的经济性，增加运行成本。

1 工程概述

本工程位于广西省某港口的煤炭码头项目，港区内设有6/0.4kV变电所3座，箱式变电站2座，其中，1#变电所为整个港区中心变电所，负责为2#、3#变电所提供双路6kV电源，并为1#、2#箱式变电站提供单路6kV电源。各变电所及箱变均设在靠近自管供电区域内的负荷中心位置(详见图1)。

图1 供电关系图

2 无功补偿的意义

无功功率补偿，简称无功补偿，指提高电力系统的功率因数，从而降低变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，最终改善供电环境。优化合理的选择补偿装置，可以在一定程度上减少电网的损耗，提高用电质量[1]。反之，如果选择或使用不当，可能造成供电系统电压波动、谐波大等现象，从而影响电力系统供电效率。

电力系统中的电力负荷，如变压器和异步电动机等电磁器件类设备，大部分都属于感性负载，在电力系统运行过程中会消耗大量无功功率，这部分无功功率直接从电网获取，导致电力系统中供电变压器有功输出能力下降、母线电压波动且有效值降低、线路损耗增大等一系列问题。在电网中安装并联电容器无功补偿设备以后，可提升变压器的带载能力，稳定变压器输出电压，保证系统功率因数达标；提高系统功率因数和供电质量，减少功率损耗；稳定受电端及电网电压，保证用电设备的正常运行和使用。

本文重点介绍高压侧无功补偿的意义，由于本工程是煤炭码头港口项目，有很多的6kV高压柜直接配电的大型皮带机等高压用电设备，所以在1#、3#两个变电所内设置了高压补偿柜和高压电容器间，对其变电所内部的高压系统进行补偿，而2#变电所没有6kV高压用电设备，因此无需设置。

3 TSC+HVC无功补偿原理

高压无功功率动态补偿装置是采用晶闸管组成阀组柜投切电容器组(TSC)结合真空接触器投切电容器组(HVC)，可根据电力系统无功功率大小和功率因数要求设置自动投切与调节，不需要人工干预。可设手动和自动档位，在补偿容量范围内，保证系统功率因数>0.9，以达到较好的补偿效果。

用户负荷在从电网获取电能的同时，附带产生大量的无功功率。电力系统多为阻感负荷，其无功功率为感性无功。感性无功的存在，将使总功率增大，总电流增加，线路、变压器的损耗及变压器压降增大，同时降低变压器及线路的使用效率。

为解决上述问题，无功功率补偿理论应运而生。它是利用电容和电感在同一电压下，电流矢量方向相反，而减少流经线路及变压器的总电流，解决感性无功引起的一系列问题。

高压动态无功功率补偿装置由光纤触发系统、电容器、电抗器、可控硅阀控制系统、保护元件等单元组合而成，可实现电流过零切除、电压过零导通，电容投切过程中无涌流冲击、电压闪变、操作过电压、电弧重燃等现象，能在30ms内快速跟踪系统无功变化进行频繁投切。

高压TSC动态无功补偿装置具有节省电能、降低网损、提高供电质量等显著特点，由测量系统、控制模块、投切模块、电容器组及执行机构等单元组成。TSC电容器组由晶闸管投切，当负荷变化较快时，晶闸管会快速反应，根据负荷的变化实时对电网进行跟踪补偿；HVC电容器组由真空接触器投切电容器组，主要用来补偿系统较稳定、变化不频繁的基本负荷；当负荷变化时，由晶闸管快速反应；对于稳定的负荷，HVC自动跟踪。在对负荷进行补偿的过程中，晶闸管与接触器组合投切电容器组，既能保证补偿精度，又可实现动态快速跟踪补偿[2](如图2所示)。

图2 补偿装置基本原理等效电路图

4 高压无功补偿系统配置

本工程高压补偿采用集中补偿的方式，在变电所内单独设置高压补偿电容器间。其中1#变电所内设置2套高压无功补偿装置，每套补偿容量为900kvar；3#变电所内设置2套高压无功补偿装置,每套补偿容量为500kvar。

分组要求：(1)TSC -6/900(300+600)kvar单套总容量为900kvar，分2组：300kvar、600kvar。每套设备由2面电容柜和1面控制柜组成，可实现3级投切，具体容量分为：300kvar、600kvar、900 kvar三档。1#变电所高压电容补偿系统图见图3。(2) TSC -6/500(150+350)kvar单套总容量为500kvar，分2组：150、350kvar。每套设备由2面电容柜和1面控制柜组成，可实现3级投切，具体容量分为：150、350、500 kvar三档。3#变电所高压电容补偿系统图见图4。以上补偿能实现细调，提高补偿精度，达到良好的补偿效果。

图3 1#变电所高压电容补偿柜系统图

图4 3#变电所高压电容补偿柜系统图

5 补偿装置分组及投切条件

本工程的无功功率动态补偿装置采用全智能控制检测系统的无功功率和功率因数，微机监测，控制准确。TSC+HVC型补偿装置，是由一个高压控制单元和若干组投切电容单元组合而成，而投切电容单元由电容单元和投切单元组合而成。成套设备便于扩展，组合灵活多变。

高压控制单元由隔离接地开关、电流互感器、功率因数控制器及相应的主回路及控制回路组成。每套设备配备一个高压控制单元，在装置中起到检测、保护、自诊断及各投切单元控制的作用。电容单元由电容器、串联电抗器及放电线圈等主回路器件，以及其独立的保护和手动操作回路组成。

投切单元在成套设备中投切电容器组，对无功功率进行补偿。TSC型补偿装置中的投切单元是晶闸管阀组，由晶闸管组成的单相晶闸管阀及其检测、控制、触发、自诊断等回路组成；TSC+HVC 型补偿装置中投切单元由晶闸管阀组和真空接触器两种组成。

(1)装置分组

无功补偿装置的装机容量包含500kvar 2套，900kvar 2套。

装置分组：500kvar:150TSC+350HVC；900kvar:300TSC+600HVC。

装置投切级数500kvar装置的投切容量分别为150kvar、350kvar、500kvar，共3级投切。

900kvar装置的投切容量分别为300kvar、600kvar、900kvar，共3级投切。

(2)装置投切条件

现定义系统无功功率为QS(kvar)，针对500kvar、900kvar补偿装置的投切情况分别如表1～2所示。

针对于500kvar补偿装置 表1

针对于900kvar补偿装置 表2

装置的投切是基于功率因数和无功功率双参数控制，控制柜内控制器根据采集的进线柜内的实际运行电流等参数数据，经过计算得出结果后通过PLC分析投切电容器组。依据控制器和PLC的组合，完成TSC组频繁投切，HVC组不频繁投切的控制原则。

6 采用高压补偿配置的优点

(1)无功补偿技术可以提高电网和用电设备的功率因数，是节电工作的一项重要措施。需满足电力系统对无功补偿的要求，消除因功率因数过低而产生的弊病和罚款。

(2)减少电能损失。提高功率因数可以改善供电质量，减少负载总电流及电压降，减少用户电费支出，是一项投资少、收效快的节能措施。

(3)延长设备寿命，改善功率因数后线路总电流减少，使接近饱和的变压器、开关等机器设备和线路容量的负载率下降，因此可以降低设备温升和延长使用寿命(温度每降低10℃，寿命可延长1倍)[3]。

7 结束语