某海港变电所电能质量测试及治理研究

佟怡烁，胡风革，何 笠，熊 胜，周 屹

某海港变电所电能质量测试及治理研究

佟怡烁1，胡风革1，何 笠1，熊 胜1，周 屹2

（1.海军工程大学，武汉，430033；2. 海军后勤部军事设施建设局，北京 100000）

为治理某海港变电所电能质量，对某海港变电所电能质量进行了测试。分析了变压器低压侧电力系统的工作模型，基于此模型计算了系统工作电压、无功补偿柜电容两端的实际工作电压及相应的电抗率，研究结果表明：系统电压过高、电容与电抗配置不合理以及无功补偿控制器失效等问题导致了变压器低压侧无功补偿柜电容器频繁损坏且系统功率因数偏低。最后文章提出通过安装静止无功发生器的方式给出了治理方案。

海港变电所 电容补偿柜 静止无功发生器

0 引言

电力用户对电能质量的要求越来越高，越先进的设备对电能质量的要求也越高，这给供电方提出很大的挑战。但同时，在低压配电网中电能质量问题又主要是由电力负荷所引起的。如负荷谐波电流、无功电流及三相不平衡电流等电流质量问题同时会引起诸如电压畸变、欠电压以及三相电压不平衡等电压质量问题。因此要从根本上改善电能质量，除了要求供电方提供高质量的电能外，更重要的是对那些污染电能质量的负荷进行补偿和治理。现某港码头有一变电所，为靠岸船舶供电，变电所内有6台容量2000 kVA的变压器，每台变压器下配2台容量为375 kvar的电容补偿柜，柜内配电抗器。配电系统在使用过程中出现以下问题：

1）变压器下端无功补偿柜电容器频繁损坏，平均寿命8个月，且电容衰减严重，2#变压器下端电容柜烧毁过。

2）补偿效率极低，目前各变压器系统功率因数在0.81~0.85之间。

1 变压器低压侧电能质量测试

为解决以上问题，在2#变压器出线端进行电能质量数据采集。测试点位置如图1所示。

图1 2#变压器测试点示意图

第一次测试数据如图2所示：

瞬时电压值瞬时电压畸变率 瞬时电流值瞬时电流畸变率 瞬时有功功率瞬时功率因数 系统电流有效值及畸变率 系统电压有效值及畸变率

第二次测试数据如图3所示：

瞬时电压值瞬时电压畸变率 瞬时电流值瞬时电流畸变率 瞬时有功功率瞬时功率因数 系统电压有效值及畸变率 系统电流有效值及畸变率

2 电容衰减、爆炸分析

2.1 系统电压过高

根据实际测试数据分析，变电所至负载端有200米长的电缆连接供电，每台变压器下负载平均电流为1500 A。电流经过电缆到负载端时，由压降计算公式

可知电缆会产生10~20 V左右的压降。由于设备用电情况需要，为保证负载端电压在400 V以上，目前变压器出线侧的平均电压在415 V以上，最高系统电压430 V，具体如图4所示。

系统电压严重超过380 V标称电压，最高超出13.2%。过高的系统电压严重影响电容器安全运行，加速电容器电容值衰减。

2.2 电容、电抗参数配置问题

电容柜内采用电容器串联电抗器的型式进行补偿。

电容器额定容量：30 kvar，最高电压：440 V（该系统中两电容并联，容量60 kvar）注：工作电压为400 V时，电容器容量为25 kvar，实际工作电压最高430 V，因此按30kvar计算。

电抗器额定电感：0.77 mH

1）电抗率计算

电容器的电容值为C，容抗:

电容器容量：

电抗器的电感值为（0.77 mH），感抗:

电抗率：

由公式（3）和（5）得

电容柜内存在两种回路：

a) 其中7个回路为2个电容器串联1个电抗器（Q=60 kvar，为0.77 mH，U=0.44 kV）带入公式3，经过换算，电抗率计算值近似为0.075，实际厂商生产配置为7%电抗率。

b) 其中1个回路为1个电容器串联1个电抗器（Q=30 kvar，为0.77 mH，U=0.44 kV）带入公式3，经过换算，电抗率计算值近似为0.037，实际厂商生产配置为3%电抗率。

2）电容器运行端电压计算

电容器串联电抗器后，电容器的端电压会升高，电流、电压相量如图5所示。

图5 系统电流、电压相量示意图

a)当电抗器电抗率为7%。则：

即电容器端电压为系统电压的1.075倍。

目前系统平均电压415 V，最高电压430 V，计算可得：

第一种回路运行端电压：平均电压446.1 V，最高电压462.25 V

b)单个电容器串联电抗率3%电抗器后，同理可得，电容器端电压为系统电压的1.031倍。计算可得：

第二种回路运行端电压：平均电压427.8 V，最高电压443.3 V

由此可知a）中电容器两端的实际电压严重超过电容器最高运行电压440 V，危害电容安全运行，甚至发生爆炸（已发生爆炸）。电容器和电抗器的配置并不适合该用电工况。

2.3 谐波问题

由图3可知，系统谐波电压畸变率不超过1.5%，系统谐波电流畸变率7.6%时，系统电流600 A左右，处于用电低谷，谐波电流约47 A；电流畸变率在3.5%左右波动时，系统电流1500 A左右，处于用电常态，谐波电流在50 A左右。

根据数据分析，当人为控制直流负载不工作，系统依然存在少量谐波，若直流负载投入运行，则谐波含量必然急剧增加。本来就过压运行的电容器将处于非常恶劣的工况。

3 治理方案

3.1 无功补偿容量计算

由图6可知，系统平均有功功率为850 kW，系统无功功率在268~600 kvar之间变化，某一瞬间达到1468 kvar，根据分析，该状态仅为大电机类设备启动，无谐波变化，属于正常负荷。

系统无功功率 系统有功功率

根据公式

其中P为有功功率，S为视在功率，Q为无功功率。

若将PF提至0.95以上，系统无功功率含量要低于280 kvar，因此实际无功功率需求为320 kvar。在实际工作中，考虑到负载的变化，为确保设备长期稳定运行，安装容量建议大于实际需求容量，可安装2台容量为200 kvar的立柜式静止无功发生器。该方案可有效解决电容衰减及爆炸等问题，并且提高系统功率因数。

3.2 SVG的安装位置

2台静止无功发生器的安装位置如图7所示。

4 总结

本文分析了变电所低压侧供电系统的电能质量，研究了无功补偿柜中电容器电容衰减严重、甚至发生爆炸的原因，分别分析了系统电压过高、电容电抗配置以及谐波的影响，最后给出了通过安装静止无功发生器进行治理的解决方案。

图7 SVG安装位置示意图

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Power Quality Test and Treatment of a Harbor Substation

Tong Yishuo1, Hu Fengge1, He Li1, Xiong Sheng1, Zhou Yi2

(1. Naval Engineering University, Wuhan 430033, China; 2.Military Facilities Construction Bureau of Naval Logistics Department, Beijing 100000, China)

TM922.4

A

1003-4862（2019）12-0046-04

2019-06-19

佟怡烁（1986-），男，讲师，主要研究方向为控制工程。

胡风革（1988-），男，助理研究员，研究方向为军港电力工程。E-mail: 515596441@163.com