陳志豪
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要:根據(jù)無功補(bǔ)償原理,解決功率因數(shù)偏低的問題,結(jié)合該環(huán)保能源公司用電質(zhì)量的現(xiàn)狀,提出無功補(bǔ)償解決方案,實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)考察負(fù)載用電總結(jié)無功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)選型、安裝及注意事項(xiàng)。ANSVC無功補(bǔ)償裝置由自愈式并聯(lián)電容器、串聯(lián)電抗器、投切開關(guān)、低壓無功補(bǔ)償控制器組成,能實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中的無功需量,進(jìn)行無功補(bǔ)償,從而提高功率因數(shù),減少電費(fèi)支出。
1、原理分析
1.1在交流電路中,由電源供給負(fù)載的電功率有兩種;一種是有功功率,一種是無功功率。
有功功率:正常運(yùn)行所需的電功率,也就是將電能轉(zhuǎn)換為其他形式能量(機(jī)械能、光能、熱能)的電功率。
無功功率:比較抽象,它是用于電路內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的交換,并用來在電氣設(shè)備中建立和維持磁場(chǎng)的電功率。它不對(duì)外作功,而是轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰俊7彩怯须姶啪€圈的電氣設(shè)備,要建立磁場(chǎng),就要消耗無功功率。比如40瓦的日光燈,除需40多瓦有功功率(鎮(zhèn)流器也需消耗一部分有功功率)來發(fā)光外,還需80乏左右的無功功率供鎮(zhèn)流器的線圈建立交變磁場(chǎng)用。由于它不對(duì)外做功,才被稱之為“無功"。
Q:無功功率(Kvar),S:視在功率(KVA),P:有功功率(Kw),PF:功率因數(shù)
1.2無功功率偏低的不良影響:
1、 降低發(fā)電機(jī)有功功率的輸出
2、 降低輸電、變電設(shè)備的供電能力
3、 線路損失增大和電能損耗增加
4、 功率因數(shù)下降,電費(fèi)增收,成本增加
5、 使電氣設(shè)備得不到充分發(fā)揮
1.3并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償原理:
如圖1,將并聯(lián)電容器C與變壓器或負(fù)載并聯(lián),則變壓器或負(fù)載所需要的無功功率全部或部分由并聯(lián)電容器供給,即并聯(lián)電容器發(fā)出的容性無功可以補(bǔ)償負(fù)載所消耗的無功。
如圖2,當(dāng)未接電容C時(shí),流過電感L的電流為IL,,流過電阻R的電流為IR,電源供給的電流為I1,I1=IR+jIL,此時(shí)相位角為Φ1,功率因數(shù)為COSΦ1;并聯(lián)接入電容C后,由于電容電流IC與電感電流IL方向相反,使得電源供給電流由I1減小為I2,I2=IR+j(IL-IC),相角由Φ1減小到Φ2,功率因數(shù)由COSΦ1提高到COSΦ2。
在純電容無功補(bǔ)償中,電容器本身阻抗是容性的,隨著諧波頻率的提高,電容器的容抗會(huì)明顯減小,使得諧波被電容器放大,從而疊加在補(bǔ)償電流上,使電流有效值顯著增加,電容器由于諧波電流的增大產(chǎn)生溫度過高、絕緣老化、鼓包等問題。且諧波電流放大引發(fā)諧波電壓增大,一旦疊加到電容器的電壓上,也會(huì)使電壓有效值增加,電壓峰值增加,從而引起電容器產(chǎn)生局部放電且不能熄滅,這也是電容器鼓包損壞的一個(gè)重要因素。在大多數(shù)的低壓電力系統(tǒng)中,諧波會(huì)對(duì)電容柜產(chǎn)生較大的影響。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用總比較常見的有變頻設(shè)備數(shù)量較多、容量較大,變頻器前端沒有進(jìn)線電抗器,相互之間會(huì)產(chǎn)生諧振,從而引起電容器經(jīng)常出現(xiàn)鼓包發(fā)熱等情況。
通過在低壓電力電容器中串聯(lián)合理配置的電抗器,進(jìn)行諧波抑制。電容器的容抗值為1/ωC;在電路中串聯(lián)對(duì)應(yīng)的電抗器,該電抗器感抗為ωL,則電容器與電抗器會(huì)在某一頻率下具有確定的阻抗,從而實(shí)現(xiàn)在該頻率下諧波抑制。
電抗率的定義為:LC串聯(lián)回路中,在基波頻率下感抗和容抗的比值,即XL/XC,電抗率一般為6%、7%、12.5%、14%,電抗系數(shù)對(duì)應(yīng)的諧振頻率如下表1所示。若使用6%電抗器,諧振點(diǎn)頻率為204Hz,遠(yuǎn)離5次諧波諧振點(diǎn),但靠近4次諧波諧振點(diǎn)200Hz,例如,三相6脈沖的變頻設(shè)備,如果其中有一只晶閘管損壞,則會(huì)變成相當(dāng)于5脈沖設(shè)備,因此將會(huì)產(chǎn)生4次諧波。 若使用7%電抗器,諧振點(diǎn)頻率為189Hz,遠(yuǎn)離5次諧波諧振點(diǎn),則諧波分流流入的少,可更好的保護(hù)電容器,7%電抗是常用的安全補(bǔ)償方式。12.5%電抗器諧振點(diǎn)頻率為141Hz,接近3次諧振點(diǎn)150Hz,易產(chǎn)生諧振,影響電容器正常使用。14%電抗器諧振點(diǎn)頻率為134Hz,遠(yuǎn)離3次諧振點(diǎn)150Hz,14%電抗相較于12.5%更加安全可靠。7%電抗抑制5、7次以上諧波,14%電抗抑制3次以上諧波。
電抗率 | 頻率 |
6% | 204Hz |
7% | 189Hz |
12.5% | 141Hz |
14 | 134Hz |
當(dāng)無功補(bǔ)償中有電抗進(jìn)行諧波抑制,電容器的容量不能按標(biāo)稱值進(jìn)行補(bǔ)償,考慮到電容器的耐壓值,諧波抑制式無功補(bǔ)償在應(yīng)用過程中會(huì)出現(xiàn)電容器降容的問題。由于電網(wǎng)電壓本身的波動(dòng)及由于電抗器和電容器串聯(lián)后,電容器端子間電壓被抬高,電抗率7%的無功補(bǔ)償電容器耐壓值一般為480V;電抗率14的無功補(bǔ)償電容器耐壓值為525V。以在400V系統(tǒng)中7%電抗率電容電抗額定電壓為480V,額定補(bǔ)償容量為50Kvar為例,額定補(bǔ)償電流為60.1A,而實(shí)際補(bǔ)償電流計(jì)算為53.9A,電容會(huì)由于電壓差而降容,裝機(jī)容量50Kvar,而實(shí)際容量只有37.5Kvar。
2、項(xiàng)目概述
江蘇某環(huán)保能源公司,占地面積約16.6公頃,項(xiàng)目一期建設(shè)4條日處理500噸的焚燒線,2臺(tái)18MW的汽輪發(fā)電機(jī)組,生活垃圾焚燒能力為2000噸/天,年發(fā)電量2.72億千瓦時(shí)以上?,F(xiàn)有多套新建2000KVA變壓器需配套兩電容補(bǔ)償柜,柜子尺寸為寬1000*深1000*高2200,主要負(fù)載為電動(dòng)機(jī)、辦公用電、照明等。
3、解決方案
變壓器容量為2000KVA,負(fù)荷率為0.8左右,預(yù)估電容柜裝機(jī)容量為兩套300Kvar,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境預(yù)估為3、5、7次諧波為主,諧波主要影響電容正常工作,容易發(fā)熱、鼓包等,需配套14%電抗率的電抗器使用,電抗器主要功能為抑制諧波進(jìn)入電容器,從而保護(hù)電容,增加電容器使用壽命。根據(jù)柜子尺寸及設(shè)備尺寸確定電容配置方案為每個(gè)柜子安裝40Kvar*6路和30Kvar*2路。
4、ANSVC無功補(bǔ)償裝置
4.1 概述
ANSVC無功補(bǔ)償裝置適用于頻率50Hz電壓0.4KV的系統(tǒng)中,ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置并聯(lián)在整個(gè)中,能根據(jù)電網(wǎng)中負(fù)載功率因數(shù)的變化控制電力電容器投切進(jìn)行補(bǔ)償。其原理為:ANSVC低壓無功功率補(bǔ)償裝置通過CT采集電流、電壓信號(hào),由無功補(bǔ)償控制器計(jì)算,計(jì)算出投切電容器的方案,通過投切開關(guān)控制各組電力電容器投切。
圖3 ANSVC無功補(bǔ)償裝置
4.2 ANBSMJ自愈式并聯(lián)電容
器ANBSMJ系列自愈式低壓并聯(lián)電容器一般應(yīng)用于低壓交流電力系統(tǒng)中,對(duì)工頻低壓電力系統(tǒng)設(shè)備的功率因數(shù)進(jìn)行校正,就地或者集中補(bǔ)償無功,電容器采用自愈式并聯(lián)電容器,自愈式在擊穿后可以進(jìn)行自我恢復(fù),工作狀態(tài)下?lián)p耗小,并聯(lián)式電容器即使損壞也不會(huì)影響電網(wǎng)的正常使用。電容器從外形上分為圓形(如圖4)和方形(如圖5),功能上分為共補(bǔ)電容和分補(bǔ)電容(如圖6)。
4.3 ANCK串聯(lián)電抗器
ANCK系列串聯(lián)電抗器與ANBSMJ系列自愈式低壓并聯(lián)電容器配套使用,主要用于提高0.4KV電力系統(tǒng)的功率因數(shù),抑制電網(wǎng)的高次諧波,減輕電容器由諧波引起的過載,防止諧波過大,對(duì)電容器的安全運(yùn)行,改善網(wǎng)絡(luò)電壓波形,提高供電質(zhì)量和電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起良好作用,適用于3、5、7、9次諧波負(fù)載的無功補(bǔ)償。ANCK采用銅或鋁繞組,電抗分為共補(bǔ)電抗(如圖7)和分補(bǔ)電抗(圖8),共補(bǔ)電抗器主要用于三相負(fù)載,分補(bǔ)電抗器主要用于單相負(fù)載,電抗率分為7%或14%。
4.4 AFK投切開關(guān)
AFK系列投切開關(guān)是低壓無功補(bǔ)償裝置中,用于投切電容器的產(chǎn)品。其基本工作原理是在控制器發(fā)出投入或切除指令后,投切開關(guān)閉合或斷開,將無功補(bǔ)償支路與系統(tǒng)連接或中斷,實(shí)現(xiàn)過零投切,投切過程無過壓、電弧等現(xiàn)象,響應(yīng)時(shí)間快,可頻繁投切。投切開關(guān)分為復(fù)合開關(guān)(如圖9)和晶閘管開關(guān)(如圖10)。
4.5 ARC控制器
ARC功率因數(shù)補(bǔ)償控制器采用高性能MCU為核心,配以高精度的電量芯片,是以功率因數(shù)為取樣物理量的補(bǔ)償器,改控制器能可靠地運(yùn)行在大諧波、非正弦電流、強(qiáng)干擾等任何惡劣電網(wǎng)環(huán)境下。自適應(yīng)功能保證了電力電容的使用安全,真正實(shí)現(xiàn)了電容補(bǔ)償柜的自動(dòng)穩(wěn)定投切,有效改善電網(wǎng)的功率因數(shù),是低壓配電系統(tǒng)補(bǔ)償無功功率的理想控制器。
產(chǎn)品的主要特點(diǎn):缺相保護(hù)、過溫保護(hù)、過壓欠壓保護(hù)、電壓電流諧波保護(hù)、多種編碼投切、補(bǔ)償方式多樣化。
ARC控制器外形尺寸(mm):144*144,開孔尺寸(mm):138*138
4.6 技術(shù)參數(shù)
參數(shù)類型 | 指標(biāo) |
海拔高度 | ≤2000米 |
環(huán)境溫度 | -25~55℃ |
相對(duì)濕度 | 40℃,20~90% |
額定電壓 | AC220V或AC380V |
電容容量偏差 | 不超過額定值的-5~+10% |
過壓能力 | 允許在1.1Un下長期運(yùn)行 |
過流能力 | 允許在1.3In下長期運(yùn)行 |
電容內(nèi)置放電電阻 | 在斷電后3分鐘內(nèi)可將端子上的電壓降低至75V以下 |
涌流 | 100In |
電抗率 | 7%、14% |
電抗器溫升 | ≤95K(工頻額定電流下) |
電抗器絕緣耐熱等級(jí) | H級(jí)(180℃) |
線性度 | 1.8In下,電感值不低于0.95倍的額定電感值 |
投切開關(guān)控制電壓 | 可接受控制輸出的直流5V-12V/10mA控制信號(hào) |
電流規(guī)格 | 45A、55A、70A、80A、110A(B型尺寸額定電流70A) |
4.7 接線方式
5 結(jié)語
ANSVC無功補(bǔ)償裝置可滿足該環(huán)保能源項(xiàng)目中無功補(bǔ)償?shù)男枨?,提高電能質(zhì)量,可以降低電網(wǎng)損耗和用電成本,能保障電力系統(tǒng)的安全用電、連續(xù)供電和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。ANSVC無功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行中安全可靠,保護(hù)功能齊全,通過RS485與后臺(tái)配合使用,能夠更加方便快捷地檢測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng),減少人力資源的投入。
6 參考文獻(xiàn)
[1]企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.6
[2]李林川,電力系統(tǒng)基礎(chǔ) [M].北京:科學(xué)出版社,2009.
[3]李燕,賈新立,江洪,等,無功補(bǔ)償在配電網(wǎng)中應(yīng)用的試驗(yàn)與分析[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,2012,33(6);53-58.
7 作者介紹
陳志豪,男,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向?yàn)閭鹘y(tǒng)無功補(bǔ)償產(chǎn)品的應(yīng)用。手機(jī):15221447990