低压无功补偿功率因数不达标改造总结

赵建荣，白飞雄，白永明，李专成，樊进超，薛小彬

(陕西北元化工集团股份有限公司，陕西 榆林 719319)

在氯碱生产中，低压用电负荷量的大大提高增加了低压进线断路器电流，造成功率因数的大大降低，严重影响了设备运行的稳定性，降低了供电质量，极大地影响了氯碱企业的经济效益。为此，陕西北元化工集团(以下简称“北元”)化工分公司计划针对提高功率因数进行系列改造，以提高供电质量，为公司创造更大的经济效益。

北元化工分公司电气系统中0.4 kV配电主回路采用单母分段运行方式,变压器高压侧断路器分别接在10 kV母线Ⅰ段和10 kV母线Ⅱ段,变压器低压侧断路器分别接在0.4 kV母线Ⅰ段和0.4 kV母线Ⅱ段,0.4 kV母线Ⅰ段和0.4 kV母线Ⅱ段通过母联连接。北元化工分公司有容量2 500 kV·A的变压器8台,容量2 000 kV·A的变压器20台,容量1 600 kV·A的变压器10台，容量1 250 kV·A的变压器6台，其中容量1 250 kV·A的变压器每台配备1个无功补偿配电柜，其余容量的变压器每台配备两个无功补偿配电柜。

由于现场电气设备较多，需要的无功补偿量较大，提高无功补偿及供电系统的可靠性，对于氯碱企业尤为重要。

1 低压无功补偿原理

(1)在电力系统中,电动机、变压器、交流接触器及其他有线圈的电器设备应用较多,此类设备从配电线路中消耗两部分电流,其中一部分电流转化为电器设备有用功,比如电能转化成光能、热能、动能、声能、机械能等；另一部分电流转化成不做功的电感电流。这样，就造成配电线路中的电流额外增大，耗费了大量的电能。当电感电流为零时，功率因数接近1；当电感电流逐渐增大时，功率因数逐渐下降；当功率因数越低时，配电线路中额外负荷越大，电力变压器及0.4 kV配电母排承担负荷越大，降低了线路及电力设备的利用率，增大线路的电流损耗、电压损耗、功率损耗，降低了供电质量，造成氯碱企业重大经济损失，浪费了国家资源。因此，氯碱企业应该提高功率因数。提高功率因数最便捷的方式是并联电容器，用产生的电容电流抵消电感电流，将不做功的无功电流减小到一定范围内[1]。

并联电容器补偿原理为:由于容性电流iC相位超前90°，可以抵消部分相位滞后于90°的感性电流iL,使电流由i1减小为i2，相位角由φ1减小到φ2，从而使功率因数从cosφ1提高到cosφ2[2]。

(2)北元化工分公司采用TSC动态无功补偿装置。TSC以三相共补形式，用于三相对称负荷、三相无功功率平衡的场所。该装置利用晶闸管作为投切开关，自动检测一相无功电流及无功功率与电网电压，产生三相共同的控制信号。由触发电路驱动电子开关器件的开通与关断，统一投入或切除每一相上等值的补偿电容器。

2 低压无功补偿装置结构

TCS动态无功补偿装置由隔离开关、熔断器、三相串联电抗器、自愈式低电压并联电容器、晶闸管、电压表、电流表、功率因数表、电流互感器、TWK-200动态无功补偿控制器组成。笔者将在下文重点介绍自愈式低电压并联电容器和三相串联电抗器参数。

采用的自愈式低电压并联电抗器如下：型号为BSMJ0.44-10-1,额定容量为10 kVar，额定电流为22.7 A;型号为BSMJ0.44-20-1，额定容量为15 kVar，额定电流为34.1 A；型号为BSMJ0.44-30-1，额定容量为30 kVar，额定电流为68.2 A。

三相串联电抗器采用型号为：CKSG1.8/0.44-6，额定电压为26.4 V，额定电流分别为22.73、45.46、68.18 A。

3 低压无功补偿功率因数不达标原因

(1)北元化工分公司2014开车的C、D两条线，该生产装置采用电石干法工艺系统。笔者主要以乙炔分厂变电站4台容量2 000 kV·A变压器所带低压无功补偿为例,研究低压无功补偿功率因数不达标原因。该生产装置分为4个生产区，生产一区和生产二区配电负荷由容量为2 000 kV·A的43#动力变和44#动力变通过母联联络柜34供电，生产三区和生产四区配电负荷由容量2 000 kV·A的45#动力变和46#动力变通过母联联络柜56供电，一区、二区、三区、四区工艺系统相同,所用电负荷一样。

用电负荷主要分为3类：①小功率电动机以其保护器为保护装置的固定负荷，代表性的有混料斗提机、干渣斗提机、洗涤器泵、细料斗提机、管道泵、干渣输送器、注水泵；②以变频方式启动的调频负荷，代表性的有搅拌电动机、盘式给料机、进料机、下料器以及细料下料器；③大功率电动机以软启动方式启动的调频负荷，代表性的为破碎机。由于电石破碎难度系数大，负荷不稳定，电流变化大，现场电动机经常发生下引线烧断事故、电动机轴承抱死事故、电动机线圈直接烧毁事故等，直接影响变压器的负荷。

2014年刚开车的C、D两条线，由于设备和工艺系统处于磨合期,整个生产装置不稳定,系统流量较低,用电负荷少,变压器进线断路器电流最高在260 A运行，功率因数在0.93以上，其中43#、44#、45#、46#变压器，每台分别由2个无功补偿配电柜给予低压无功补偿，其中1#低压无功补偿配电柜由3个容量为10 kVar的电容、3个容量为20 kVar的电容和3个容量为30 kVar的电容以及额定电流分别为22.73、45.46、68.18 A的3个三相串联电抗器组成。另外一个2#低压无功补偿配电柜由9个容量为30 kVar的电容, 额定电流为68.18 A的3个三相串联电抗器组成：额定容量10 kVar电容的补偿电流为36.8～37.2 A,额定容量为20 kVar电容的补偿电流为56.2～65.9 A,额定容量为30 kVar电容补偿电流为104～112 A。2014年典型低压无功补偿数据如下。

TWK-200动态无功补偿控制器数据如下：

Uab=402 V，为A、B相电压；Ubc=406 V，为B、C相电压；Uca=408 V，为C、A相电压；Ia=166 A，为A相电流；Ib=176 A，为B相电流；Ic=154 A，为C相电流；P=109 kW，为有功功率；Q=26 kVar，为无功功率；Pf=0.93，为功率因数；S=114 kV·A，为视在功率。

无功补偿柜补偿电流数据：

1#补偿柜电流A相为239.4 A，B相为220.2 A，C相为220.1 A；2#补偿柜电流A相、B相、C相均为0；进线断路器显示电流A相为233 A，B相为241 A，C相为218 A。

(2) 现场生产设备经过两年的磨合时期，设备性能大大提高，加之进一步优化生产装置，设备稳定性得到前所未有的提高。北元化工分公司陆续提高系统流量，改造不科学、不规范的生产装置，相对应的电气设备也提高负荷，其中43#、44#、45#、46#变压器进线断路器电流由原来的260 A提高到1 600 A左右，而且保持进线断路器电流基本不变，持续稳定运行，用电负荷必须大大提高，从而导致功率因数不达标。

功率因数初始不达标时，由于操作人员电气专业技能差，电气操作水平低，对出现问题原因判断不准确，盲目认为功率因数不达标是因为TWK-200动态无功补偿控制器已损坏。在更换无功补偿控制器时，对无功补偿采样电流二次回路未采取任何措施，造成低压进线断路器无功补偿电流采样互感器开路，严重烧毁，外壳变形。采样电流互感器烧毁后，功率因数不达标典型数据如下。

TWK-200动态无功补偿控制器数据：

Uab=391 V，Ubc=391 V，Uca=392 V；

Ia=619 A，Ib=614 A，Ic=613 A；

P=368，Q=209，Pf=0.87，S=412。

进线断路器显示电流：

A相为233 A，B相为241 A，C相为218 A。

4 低压无功补偿配电柜改造措施

(1)在更换TWK-200动态无功补偿控制器过程中，未对无功补偿采样电流二次回路采取短路措施，导致采样电流互感器烧毁，外壳严重变形。针对此种情况，应提高操作人员的电气操作和理论水平以及实际操作的综合能力。更换TWK-200动态无功补偿控制器时，应提前对无功补偿采样电流二次回路采取短路措施，对电流互感器二次回路控制线采用专用的短路连接片或6 m2以上单芯铜导线短接。

在更换完TWK-200动态无功补偿控制器后，拔掉电流互感器二次侧短路连接片或铜导线，恢复低压无功补偿柜正常运行状态。

(2)由于现场负荷为110 kW软启动的频繁启动，功率因数经常不达标，造成TWK-200动态无功补偿控制器投切频繁及无功补偿控制器里面的电流模块烧毁，此时应规范地更换TWK-200动态无功补偿控制器。例如，在低压外进线断路器长周期大负荷稳定运行的情况下，由于夏季变配电室温度较高，容易造成无功补偿采样电流互感器线圈烧毁，外壳变形发黄；又如，由于无功补偿电流采样时出现偏差，导致功率因数不达标。

上述情况，应规范更换变比为4 000∶1的低压电流互感器。

(3)以单台变压器作为研究对象，提高用电负荷，无功补偿电流也相应提高。原电容器的补偿电流不能满足无功补偿的要求是造成功率因数不达标最重要的原因。此时，应对无功补偿控制柜的电容器进行扩容，将功率因数从cosφ1提高到cosφ2所需的电容电流为：

IC=Ir(tgφ1-tgφ2)。

(1)

式中：Ir为线路上的有功电流，A；φ1为补偿前的功率因数角，；φ2为补偿后的功率因数角。

不达标无功补偿功率因数为0.83左右，即cosφ1=0.83；根据无功补偿最大经济性的要求及氯碱生产的需求，须将无功补偿功率因数提高到0.96以上，即cosφ2=0.96；根据长周期的观察，线路中最大的有功电流在1 140 A左右，即Ir≈1 140 A。依据cosφ与tgφ对应值表[2]查得：

cosφ1=0.83，tgφ1=0.672 0；

cosφ2=0.96，tgφ2=0.291 7。

根据式(1)可计算所需电容电流：

Ic=Ir(tgφ1-tgφ2)≈1 140×(0.672 0-0.291 7)≈433.5(A)。

根据对配电室的长期观察,1个容量为30 kVar的电容，补偿电流大约为108 A，单台变压器每相母排应增加4个容量为30 kVar的电容，故单台变压器应增加12个容量为30 kVar的电容，对应增加 4个额定电流为68.18 A的三相串联电抗器、4个晶闸管，把1#低压无功补偿配电柜3个容量为10 kVar的电容和3个容量为20 kVar的电容拆除，并把对应额定电流分别为22.73、45.46 A的两个三相串联电抗器拆除。

无功补偿配电柜改造以后，功率因数大大提高，实现了节约能耗、降低成本的目的。目前，北元化工分公司的无功补偿功率因数基本保持在0.96以上。

5 结语

经过长期的摸索、实践，北元化工分公司逐步改造无功补偿柜，大大提高功率因数，提高用电质量，改善设备运行条件，节约了电能，降低了生产成本，为提高氯碱生产效益创造了条件。