DQZHAN訊：無功功率補(bǔ)償控制與選擇

本文就低壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置的產(chǎn)品開發(fā)等問題進(jìn)行了探討。介紹無功功率補(bǔ)償?shù)囊饬x、計(jì)算、控制方式選擇等，并就經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了初步討論。在比對(duì)中作者根據(jù)多年現(xiàn)場電容器投切開關(guān)的工作經(jīng)驗(yàn)，提出了對(duì)于合理選擇使用低壓并聯(lián)電容器投切開關(guān)的幾點(diǎn)建議，以供參考。

1 無功功率補(bǔ)償控制概述

1.1無功功率的產(chǎn)生和影響

在交流電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)在發(fā)有功功率的同時(shí)也發(fā)無功功率，它是主要的無功功率電源;運(yùn)行中的輸電線路，由于線間和線對(duì)地間的電容效應(yīng)也產(chǎn)生部分無功功率，稱為線路的充電功率，它和電壓的高低、線路的長短以及線路的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。電能的用戶(負(fù)荷)在需要有功功率(P)的同時(shí)還需要無功功率(Q)，其大小和負(fù)荷的功率因數(shù)有關(guān);有功功率和無功功率在電力系統(tǒng)的輸電線路和變壓器中流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生有功功率損耗(ΔP)和無功功率損耗(ΔQ)，也會(huì)產(chǎn)生電壓降落(ΔU)。無功功率在輸電線、變壓器中的流動(dòng)會(huì)增加有功功率損耗和無功功率損耗以及電壓降落;由于變壓器、高壓架空線路中電抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電阻值，所以無功功率的損耗比有功功率的損耗大，并且引起電壓降落的主要因素是無功功率的流動(dòng)。

1.2無功補(bǔ)償?shù)淖饔?

無功補(bǔ)償可以收到下列的效益：①提高用戶的功率因數(shù)，從而提高電工設(shè)備的利用率;②減少電力網(wǎng)絡(luò)的有功損耗;③合理地控制電力系統(tǒng)的無功功率流動(dòng)，從而提高電力系統(tǒng)的電壓水平，改善電能質(zhì)量，提高了電力系統(tǒng)的抗干擾能力;④在動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償裝置上，配置適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器，可以改善電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，提高輸電線的輸送能力和穩(wěn)定性;⑤裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償器(SVS)還能改善電網(wǎng)的電壓波形，減小諧波分量和解決負(fù)序電流問題。對(duì)電容器、電纜、電機(jī)、變壓器等，還能避免高次諧波引起的附加電能損失和局部過熱。

1.3無功補(bǔ)償裝置

除發(fā)電機(jī)和輸電線外的無功電源主要有：①并聯(lián)電容器組是一種靜態(tài)的無功補(bǔ)償裝置。用它進(jìn)行的補(bǔ)償稱為并聯(lián)電容補(bǔ)償。②同步調(diào)相機(jī);③靜止無功補(bǔ)償器。后兩者屬于動(dòng)態(tài)的無功補(bǔ)償裝置。

另外，在遠(yuǎn)方水電站和坑口火電廠等的出線母線上，長距離輸電線的兩側(cè)線路上，以及長距離輸電線的開關(guān)站等地方接有并聯(lián)電抗器，也是一種無功補(bǔ)償裝置。用其進(jìn)行的補(bǔ)償稱為并聯(lián)電抗補(bǔ)償。遠(yuǎn)方電站出口母線上的并聯(lián)電抗器主要是吸收發(fā)電機(jī)所發(fā)的無功功率，以使發(fā)電機(jī)能運(yùn)行在合理的功率因數(shù)下而又避免無功的長距離輸送。長距輸電級(jí)上配置的并聯(lián)電抗器，主要是吸收線路空載和輕載時(shí)的充電功率，使沿線電壓分布合理并降低工頻穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過電壓。

鑒于電力生產(chǎn)的特點(diǎn)，用戶用電功率因數(shù)的高低對(duì)發(fā)、供、用電設(shè)備的充分利用、節(jié)約電能和改善電壓質(zhì)量有著重要影響。為了提高用戶的功率因數(shù)并保持其均衡，以提高供電用雙方和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)效益，特制定功率因數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值與功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)。

2 補(bǔ)償方式的選擇

2.1 個(gè)別補(bǔ)償

即在用電設(shè)備附近按其本身無功功率的需要量裝設(shè)電容器組，與用電設(shè)備同時(shí)投入運(yùn)行和斷開，也就是再實(shí)際中將電容器直接接在用電設(shè)備附近。

適合用于低壓網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償效果好，缺點(diǎn)是電容器利用率低。

2.2分組補(bǔ)償

即將電容器組分組安裝在車間配電室或變電所各分路出線上，它可與工廠部分負(fù)荷的變動(dòng)同時(shí)投入或切除，也就是再實(shí)際中將電容器分別安裝在各車間配電盤的母線上。

優(yōu)點(diǎn)是電容器利用率較高且補(bǔ)償效果也較理想(比較折中)。

2.3集中補(bǔ)償

即把電容器組集中安裝在變電所的一次或二次側(cè)的母線上。在實(shí)際中會(huì)將電容器接在變電所的高壓或低壓母線上，電容器組的容量按配電所的總無功負(fù)荷來選擇。

優(yōu)點(diǎn)：是電容器利用率高，能減少電網(wǎng)和用戶變壓器及供電線路的無功負(fù)荷。

缺點(diǎn)：不能減少用戶內(nèi)部配電網(wǎng)絡(luò)的無功負(fù)荷。實(shí)際中上述方法可同時(shí)使用。對(duì)較大容量機(jī)組進(jìn)行就地?zé)o功補(bǔ)償。

3 控制方式的選擇

3.1個(gè)別補(bǔ)償?shù)目刂品绞?

3.1.1 啟動(dòng)不頻繁的設(shè)備

啟動(dòng)不頻繁的設(shè)備可選擇空氣自動(dòng)開關(guān)、熔斷器作為保護(hù)設(shè)備

3.1.2啟動(dòng)較頻繁的設(shè)備

啟動(dòng)較頻繁的設(shè)備可選擇FKA系列智能復(fù)合開關(guān)(投切間隔時(shí)間大于30s)、TSC動(dòng)態(tài)投切開關(guān)。

3.2分組補(bǔ)償、集中補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙萜鞴?

裝置中使用了交流接觸器、投切專用交流接觸器、可控硅功率模塊、固態(tài)繼電器、復(fù)合固態(tài)繼電器等作為并聯(lián)電容器的投切開關(guān)，由于并聯(lián)電容器的投切開關(guān)對(duì)裝置的性能具有決定性的影響，因而合理的選擇投切開關(guān)就顯得十分重要。

3.2.1交流接觸器和投切專用交流接觸器

交流接觸器是傳統(tǒng)的低壓補(bǔ)償并聯(lián)電容器的投切開關(guān)，優(yōu)點(diǎn)是成本低、控制簡單、使用方便，缺點(diǎn)是投切時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的涌流和過電壓，其大小與感性負(fù)載的大小(如變壓器的短路容量)、阻抗、電容器的容量，交流接觸器的性能有關(guān)。切除時(shí)易產(chǎn)生電弧，觸點(diǎn)易于燒毀、壽命較短，不適用于頻繁投切的場合。

電容器投切專用交流接觸器是為了減輕涌流對(duì)交流接觸器的影響而設(shè)計(jì)的，其與普通交流接觸器的不同之處是將普通接觸器觸點(diǎn)加以改善，配上抑制投切電流的電阻，采用并聯(lián)開關(guān)分步投切的方法，先合上帶電阻的開關(guān)再合上不帶電阻的開關(guān)來減少投切過程中產(chǎn)生的涌流和過電壓。由于其只能降低投切過程中產(chǎn)生的涌流和過電壓，并不能從根本上解決問題，在電容器容量相對(duì)較大時(shí)，仍然會(huì)產(chǎn)生很大的涌流，因而其應(yīng)用仍然受到一定的限制。

由于上述兩種交流接觸器在應(yīng)用于低壓并聯(lián)電容器投切時(shí)存在著不可克服的涌流問題和觸點(diǎn)的燒蝕問題，對(duì)電容器和裝置的壽命有較大的影響，所以其在電容器投切領(lǐng)域的應(yīng)用越來越少，正逐步被功率電子開關(guān)所替代。但由于其價(jià)格低廉，在某些技術(shù)要求較低、電網(wǎng)波形畸變嚴(yán)重不適于應(yīng)用電力電子開關(guān)的場合仍有使用，需安排人巡查、定時(shí)更換。

3.2.2 可控硅開關(guān)、固態(tài)繼電器

反并聯(lián)可控硅開關(guān)加上具有過零檢測功能的驅(qū)動(dòng)電路，即成為一個(gè)典型的具有“零壓差”投入，零電流退出功能的電力電子投切開關(guān)，具有較高的dV/dt和dI/dt承受能力，可有效的抑制電容器投入時(shí)的浪涌電流和過電壓的產(chǎn)生及退出時(shí)的拉弧電流。常規(guī)的做法是將反并聯(lián)的可控硅模塊外部配裝專用的觸發(fā)線路板。

投切專用的固態(tài)繼電器是將上述開關(guān)的反并聯(lián)的可控硅模塊及外部配裝專用的觸發(fā)線路板的全部器件以固態(tài)繼電器的標(biāo)準(zhǔn)封裝形式封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，內(nèi)置阻容吸收，故結(jié)構(gòu)緊湊，綜合成本較低，外形上有方型或長條型以適合不同用戶的聯(lián)接需要。具有體積小、耐蝕防潮、安裝使用方便等特點(diǎn)，是目前可控硅開關(guān)的常用封裝形式。

上述兩種電力電子投切開關(guān)的工作原理完全相同，都是以具有零檢測功能的觸發(fā)電路控制反并聯(lián)的可控硅無觸點(diǎn)開關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是投切電容器時(shí)“零壓差"投入、零電流切除，實(shí)現(xiàn)無涌流或小涌流投切，提高了電容器壽命，無觸點(diǎn)無拉弧，開關(guān)速度高、反應(yīng)時(shí)間快，干擾小、體積小、耐腐蝕，壽命長、可靠性高，易于與計(jì)算機(jī)接口、適用于智能型無功控制器或配電綜測儀對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和遠(yuǎn)程控制。另外可方便地實(shí)現(xiàn)單相分相補(bǔ)償或三相共補(bǔ)。缺點(diǎn)是工作**耗較大，使用時(shí)需加裝散熱器，成本也比適用交流接觸器高許多。但由于其性能優(yōu)越，應(yīng)用者眾多。

3.2.3復(fù)合投切開關(guān)、復(fù)合固態(tài)繼電器

交流接觸器投切開關(guān)壓降小、發(fā)熱少，但涌流大、壽命短，電力電子投切開關(guān)涌流小、壽命長，但壓降高、功耗大、需要散熱，各有優(yōu)缺點(diǎn)。能否整合它們的優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)勢互補(bǔ)，制造出具有“零壓差”投入、零電流切除、低壓降保持特性的投切開關(guān)，科技人員采用電力電子開關(guān)負(fù)責(zé)控制電容器的投入和切除，交流接觸器負(fù)責(zé)保持電容器投入后的接通的方法制造出了復(fù)合投切開關(guān)。這種投切開關(guān)同時(shí)具備了交流接觸器和電力電子投切開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，不但抑制了涌流，避免了拉弧，而且功耗較低，不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風(fēng)扇。尤其是復(fù)合固態(tài)繼電器將復(fù)合投切開關(guān)集成一體，體積小、重量輕、性能優(yōu)良，是低壓無功自動(dòng)補(bǔ)償裝置中并聯(lián)補(bǔ)償電容器的理想投切開關(guān)。

4補(bǔ)償容量測量與計(jì)算

4.1測量方法

采用雙鉗相位表測量(以單相為例)A相電流、電壓值以及電流電壓角，譬如電流53A、電壓224V、電壓超前45°，則：

總功率S=I*U=53*224=11.87(kW)

有功功率P=I*U*COSΦ=53*224*COS45°=8.393(kW)

無功功率Q=I*U*SINΦ=53*224*SIN45°=8.393 (kva)

若將功率因數(shù)由目前的0.707分別提高到0.9和1需要并聯(lián)多少千乏電容器， Q1=P*SINΦ/ COSΦ=8.393*0.43/.09=4.06(kva)

ΔQ=8.393-4.06=4.333(kva)

故：提高到0.9和1需要并聯(lián)4.333和8.393千乏電容器，由上式可知功率因數(shù)由0.707提高到0.9需要4.333千乏功率因數(shù)由0.9提高到1需要4.06千乏。這說明功率因數(shù)由低提高到高投入容量較小，而由較高水平提高到更高則投入容量大。所以，要合理選擇功率因數(shù)提高的水平。

4.2 根據(jù)電度表及負(fù)荷工作時(shí)間計(jì)算方法

已知：某工廠有功功率月耗電量15000kWh，月平均功率因數(shù)為0.65，30天日平均負(fù)荷工作時(shí)間為6小時(shí)。欲把功率因數(shù)提高到0.95，需配多大容量電容器。

平均有功功率P=15000/30*6=83.33kW

無功功率Q=P*tgφ=83.33*1.169=97.42(kav)

功率因數(shù)提高到0.95時(shí)，S=P/COSφ=83.33/0.95=87.72KVA

Q=S*SINφ=87.72*0.31=27.2(kva)

故補(bǔ)償電容量ΔQ=97.42-27.2=70.22(kva)

5 無功補(bǔ)償投資與經(jīng)濟(jì)效益

以上述為例，選擇20kva，380V，50Hz電容器6只(每千乏10元)，控制器一只(約700元)，F(xiàn)KA系列智能復(fù)合開關(guān)6只(每只300元)，控制屏一個(gè)(約1200元)，共計(jì)4900元，每月無功功率調(diào)整電費(fèi)15000*0.6*0.15=1350(元)

投資回收期(月)=4900/1350=4(月)

一般來說無功補(bǔ)償投資回收期應(yīng)小于2年為宜。

結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，造價(jià)低廉，控制精度高，穩(wěn)定性好的可控硅開關(guān)、固態(tài)繼電器、復(fù)合固態(tài)繼電器將不斷面世，為無功功率補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用提供了更好的前景。大力推廣無功功率補(bǔ)償技術(shù)必將為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)做出貢獻(xiàn)。