低壓無功補償裝置如何合理選型:隨著經濟生力產水平的發(fā)展,電費已成為企業(yè)的主要生產成本(這里面包括由于不合理用電造成電能效率降低、設備故障率增加、設備壽命減短等因素造成的維護成本增加)。解決企業(yè)電力供需矛盾,除采用科學節(jié)能的新產品、新技術、新工藝外,改善電力環(huán)境、搞高電能使用效率、降低損耗也是緩解供
電壓力的有效途徑。采用無功補償系統(tǒng)是企業(yè)改善供電質量不失為一條有效的途徑。做好無功補償工作,不但可起到擴大現(xiàn)有輸變電設備供電能力、改善電能質量、降低線路損耗、緩解供電能力不足的作用,而且還能取得良好的經濟效益,如延長供用電設備的使用壽命、降低用戶的電費支出等。
1、無功補償目前存在的問題
由于無功補償系統(tǒng)設備選型不合理、設備運行參數(shù)設置不正確造成的設備非正常工作,不僅沒有給企業(yè)帶來經濟效益反而由于無功過補償或欠補償造成不必要的罰款,甚至是影響其它設備的正常工作。無功補償系統(tǒng)非正常工作主要集中在以下幾個方面:
1.1 容量不匹配
一般控制器均配備有12組電力移相
電容器,容量不匹配主要集中在電容器單體容量配置過大。由于每個單體電容器容量是固定的,當系統(tǒng)所需的電容量小于單組電容器小容量時,電容器組不投入工作時系統(tǒng)存在功率因素過低呈感性(久補),而當電容器投入工作時又會因為所投的電容器容量過大造成系統(tǒng)過補呈容性(同樣導致功率因素過低)。如果投切控制不當,還會造成電容器不斷的投入、斷開、投入、斷開形成投切振蕩。
1.2 負荷變動造成不匹配
對于建站初期負荷較小,以后負荷逐漸增大的情況。由于無功補償系統(tǒng)設計上都有一定的冗余量,故此情況下擴容量不超過冗余量是不會引起無功補償異常。反倒是由于企業(yè)設備更新、改造后,原有設備功率因素提高后造成系統(tǒng)無功的需求減少,從而引起容量不匹配。如:某隧道燈具原使用線圈式整流器高壓納燈,后改為電子式整流器高壓納燈。
影響大的還要數(shù)正負無功變化較大的場合。如企業(yè)某設備群無功分量較大,下班后設備群停止工作后系統(tǒng)無功分量就主要來自于
變壓器等電源設備。此時系統(tǒng)所需的電容量若小于單組電容器小容量時,系統(tǒng)就容量出現(xiàn)過補或欠補。這也是企業(yè)變壓器輕載后功率因素不達標的因素之一。
1.3 參數(shù)設置不當引起的異常
由于移相電容無功補償系統(tǒng)的
工作原理是通過增加容抗抵消系統(tǒng)感抗,從而實現(xiàn)系統(tǒng)無功的調節(jié)。但電容和電抗的組合必然會在某些頻率下產生共振,這種由電感L和電容C組成的,可以在一個或若干個頻率上發(fā)生諧振現(xiàn)象的電路,統(tǒng)稱為諧振電路(如圖1)。
圖片關鍵詞
圖1
此時系統(tǒng)阻抗低,容抗和感抗相抵消后系統(tǒng)阻抗等于電阻。
用公式表示為:
Z =R+jXL?jXC=R
其中,Z為阻抗,R為電阻,XL-XC=感抗-容抗=電抗。
從公式中間可以清晰的看出:當感抗XL與容抗XC相等的時候,Z中間只包含實分量R,即純電阻。此時即為諧振。高電壓、大電流將會破壞
電器設備。電路諧振時,電流或電壓將會增大。這是由于自由電子運動與宏觀物體運動一樣具有慣性,如果沒有外力作用,將保持靜止或勻速直線運動,在電感與電容并串聯(lián)電路中,當純電阻很小時,自由電子在電場力作用下,應產生勻加速運動,但因電子運動速度是恒定的,就使同向運動電子的數(shù)量勻加速增大,因此要避免電力系統(tǒng)產生諧振,功率因素的設置就不能設置為1,介于變壓器、發(fā)電機等均為感性設備避免出現(xiàn)“空載諧振”功率因素應偏感性為好。
此外由于
電容補償具有抬升電壓的作用,而發(fā)電機的出廠功率因素一般為0.8,此時若無功補償系統(tǒng)將功率因素設置過高,即可將發(fā)電機電壓抬升。如某發(fā)電機輸出電壓為400V(考濾輸出壓降,一般變壓器、發(fā)電機均將輸出調節(jié)至400V),此時若無功系統(tǒng)投入工作后,容抗與感抗抵消后電源的阻抗變小后電源電壓降減少,故而系統(tǒng)輸出電壓得以提升。柴油發(fā)電機,容量小,其
無功功率小,變化大,很難實現(xiàn)補償?shù)倪m配切換;一旦出現(xiàn)過補償,發(fā)電機輸出電壓上飄過壓,發(fā)電機將會過高保護而停機。
E=I(Z內+Z外) U外=E-U內=IZ內-IZ外 Z =R+jXL?jXC=R
[無功補償]低壓非對稱無功補償解決方案 (2)
1.4 諧波的影響
由于在 R 、 L 、 C 的串聯(lián)電路中,電壓與電流的相位差。 一般情況下 X L -X C ≠ 0 ,即 u 、 i 不同相,但適當調節(jié) L 、 C 或 f ,可使 X L =X C , X L -X C =0 時,這時 u 與 i 同相,電路呈現(xiàn)電阻性, cos Φ =1 ,電路的這種現(xiàn)象稱串聯(lián)諧振現(xiàn)象。
見公式:
XL=2 π fL 圖片關鍵詞
可見當L與C的值固定時,影響感抗與容抗的值就只有頻率F。我國電網中的頻率是固定的(F=50HZ),由于半導體
晶閘管的
開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性,電力系統(tǒng)的某些設備如功率轉換器,就會有比較大的背離正弦曲線波形。三相整流負載,由于負載的對稱性故出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波,例如5、7、11、13、17、19等,
變頻器主要產生5、7次諧波。例如熒光燈的電子控制調節(jié)器產生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。當電網參數(shù)配合不利時,在一定的諧波頻率下,就可形成諧波振蕩,產生過電壓或過電流,危及電力系統(tǒng)的安全運行,如不加以治理極易引發(fā)輸配電事故的發(fā)生。諧波也是影響電容壽命的一大因素。
2、傳統(tǒng)補償方式(靜態(tài)補償 )
其是一種根據指令,按一定步長或其倍數(shù)連續(xù)對無功負荷進行的補償。用并聯(lián)電容器改善供配電系統(tǒng)及連續(xù)運行的異步
電動機、其它感性負荷功率因數(shù)的各類
無功功率補償裝置。這種補償投切依靠于接觸器的動作,當電網的負荷呈感性時,如使用大量電動機、電焊機等負載,這時電網的電流滯帶后電壓一個角度。當負荷呈容性時,如過量的補償裝置的控制器,這是電網的電流超前于電壓的一個角度,即功率因數(shù)超前或滯后是指電流與電壓的相位關系。通過補償裝置的控制器檢測供電系統(tǒng)的物理量,來決定電容器的投切,這個物理量可以是功率因數(shù)或無功電流或無功功率。
2.1 梯形的電容配置
靜態(tài)補償裝置的補償容量是固定步長或其倍數(shù)不能隨負荷而變化,只能分級補償固定的無功功率(其補償精度決定于電容器組中單臺電容器的電容量), 而不能實現(xiàn)連續(xù)、線性的補償。“欠補”和“過補”交替發(fā)生,計費方式又為“反轉正計”,使得變電所平均功率因數(shù)補償精度差,不適合在無功負荷變化快的場合。在負荷變動大的場所用固定補償方案解決不了功率因數(shù)問題,不能隨負荷的無功波動隨機的調節(jié)補償?shù)娜菪詿o功,所以不具備抑制諧波和電壓波動。要解決功率因數(shù)問題,抑制諧波和電壓波動,必須放棄固定補償方案。
2.2 采用電磁式接觸器
該接觸器是在普通
交流接觸器的主觸點上加裝了一套限流阻抗,在電容器投切不頻繁時,起到了一定的作用。由于其采用電磁式接觸器作為投切開關,靜態(tài)無功補償系統(tǒng)因受電流浪涌沖擊,接觸器動作頻繁有觸點易損壞,電容器為階梯型投切,有合閘涌流和過補償?shù)目赡埽菀装l(fā)生投切振蕩。采用專用接觸器進行電容器投切的
無功補償裝置,只適用于在負荷基本平穩(wěn)、且三相電壓基本平衡的理想工作環(huán)境下使用。
2.3 全相補償方式
電容器組三相角形聯(lián)結便于自動濾除三次諧波,一體化封裝則便于安裝。對無功控制器要求也較低,電壓、電流采樣只要采集一組數(shù)據即可,而無須對三相電壓、電流都進行采樣。采用三角形聯(lián)較星形連接其提供的無功將比星形聯(lián)接大三倍,故可采用較小的電容。但在單相設備較多的場合,各相之間的無功功率是不一樣的。采用全相補償容易造成三相補償不平衡,造成部分相序過補或欠補,這種情況在某
車間線路缺相的情況也是可以發(fā)生的,在缺相時三相負荷的有功及無功平衡均會被打破。
2.4 諧波治理
為將共振點調整到沒有諧波的頻率,一般都裝有串聯(lián)電抗器,它的作用主要有限制合閘涌流,使其不超過20倍;抑制供電系統(tǒng)的高次諧波,用來保護電容器及防止產生諧振。標準抗諧振型(串有6%或12%電抗器):主要適用于含有少量諧波,負荷變化較快的系統(tǒng)中,一般情況下,在這種系統(tǒng)中。然而,串聯(lián)電抗與電容器不能隨意組合,若不考慮電容裝置接入處電網的實際情況,采用“一刀切”的配置方式(如電容器一律配用電抗率為5%~6%的串抗),往往適得其反,招致某次諧波的嚴重放大甚至發(fā)生諧振,危及裝置與系統(tǒng)的安全。
3、非對稱復合補償
3.1 控制器采樣選擇
無功功率補償控制器有三種采樣方式,功率因數(shù)型、無功功率型、無功電流型。功率因素方式由于其實現(xiàn)成本低,廣泛
應用于企業(yè)各類傳統(tǒng)的補償方式中。其在運行中既要保證線路系統(tǒng)穩(wěn)定、無振蕩現(xiàn)象出現(xiàn),又要兼顧補償效果。舉例說明:設定投入門限;cosΦ=0.95(滯后)此時線路重載荷,即使此時的無功損耗已很大,再投電容器組也不會出現(xiàn)過補償,但cosΦ只要不小于0.95,控制器就不會再有補償指令,也就不會有電容器組投入,所以這種控制方式建議不作為推薦的方式。
無功功率(無功電流)型的控制器較完善的解決了功率因數(shù)型的缺陷。一個設計良好的無功型控制器是
智能化的,有很強的適應能力,能兼顧線路的穩(wěn)定性及檢測及補償效果,并能對補償裝置進行完善的保護及檢測,這類控制器一般都具有自動、手動切換、自識別各路電容器組的功率、根據負載自動調節(jié)切換時間、諧波過壓報警及保護、線路諧振報警、過電壓保護、線路低電流報警、電壓、電流畸變率測量、顯示電容器功率、顯示cosΦ、U、I、S、P、Q及頻率。 由以上功能就可以看出其控制功能的完備,由于是無功型的控制器,也就將補償裝置的效果發(fā)揮得淋漓盡致。如線路在重負荷時,那怕cosΦ已達到0.99(滯后),只要再投一組電容器不發(fā)生過補,也還會再投入一組電容器,使補償效果達到佳的狀態(tài)。
3.2 可調容電容器組的實現(xiàn)
無功補償其實質就是調
節(jié)電容器的無功輸出,通常使用的方法就是通過增加減少電容器的數(shù)量而實現(xiàn)電容器組無功輸出的變化。然后這種通過調整電容量器數(shù)量的控制方式,前面我們已經講到它存在著只能分級補償固定的無功功率,容易發(fā)生過補或欠補。
Q=U(XL?jXC) 圖片關鍵詞
根據無功功率的計算公式,我們可以知道要想改變電容器的無功輸出,可以通過改變市電頻率、市電電壓及增加感性無功等方式實現(xiàn)。然后國家規(guī)定我國市電頻率為50HZ,市電壓為220V/380V,因此改變市電頻率是不可行。但可以通過可以通過轉換電容器組“Y-△”結線方式從而實現(xiàn)電容器工作電壓在220V/380V之間轉換,從而實現(xiàn)功率1X/3X之間的轉換。可見此種方式仍然改變不了分級補償?shù)娜秉c,僅是縮小電容組的梯度。若通過采用電感與電容的串聯(lián)接法,通過調節(jié)電抗以達到調節(jié)無功輸出的目的,從原理上分析,這種方式響應速度快,閉環(huán)使用時,可做到無差調節(jié)。從理論上講此補償量可只選擇1組電容器即可,但是要求選用的調節(jié)電感變化范圍要求較大,要在很大的動態(tài)范圍內調節(jié),所以體積也相對較大。故在實際運用中以電容組補償先固定步長或其倍數(shù)進行補償作為粗調,再通過小容量的電容組串接可調式電感器作為細調。效果一樣,可避免可調式電感體積過大的情況,也減少了可調線圈本身的線損。
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此外還可通過對電容量按十進制的方式分級組合,通過確定單位數(shù)量其在個位、十位、百位、千位甚至是萬位的相應數(shù)字,各級別容量分別投切的方式來實現(xiàn)電容器容量的調節(jié)。如分別在若干個等級內設置單位為1、2、2、5的電容量器,這樣0-9單位內的任一數(shù)值就可以通過上述三位數(shù)值的組合實現(xiàn)。如:3=1+2;9=5+2+2。我們可以根據數(shù)據所需無功變化范圍設定相應的組,如某企業(yè)電力系統(tǒng)無功補償系統(tǒng)投切范圍所需電容容量為1-10000,我們就可以在個位、十位、百位、千位上各設置一組相應級別單位數(shù)量的1、2、2、5的電容器。如:我們所需容量為9561,這樣個位將有1,十位有5、1,百位有5、千位有5、2、2投入工作。這里我們要說明的是,個、十、百、千相應的單位數(shù)量可以是uF、F、KF等,如9561KF,即代表個位上的電容量分別為1KF、2KF、2KF、3kF、5KF;十位上的電容量分別為10KF、20KF、20KF、30kF、50KF;而百位上的容量即100KF、200KF、200KF、300kF、500KF;以此類推。
3.3 分相補償
在有些電網中存在三相不平衡的情況,尤其以電焊機車間明顯,若三相一起補償勢必會在某相造成欠補償、在某相造成過補償。為解決這一問題,需采取三相分相補償?shù)姆绞健2捎?ldquo;Y-△”結線方式;共補與分補相結合,依據“填平補齊”原則,緩和三相不平衡,既經濟又合理。共補時將電容器組成組采用△形接法投入,而分相補償時則采用Y形接法單個投入。
3.4 一體化復合開關的使用
用接觸器投切無功補償電容器,會產生很大的沖擊電流,不僅會對電網造成干擾,而且影響電容器使用壽命。近些年,國內外廣泛采用的晶閘管投切電容器(TSC)無功補償裝置,很好地解決了接觸器投切電容器裝置的問題,其無觸點,能實現(xiàn)快速投切,不會產生拉弧現(xiàn)象,能抑制涌流,但TSC裝置明顯的缺點是晶閘管元件有較大電壓降,不僅存在一定的功率損耗,也需要采用風扇和散熱器來解決裝置的通風與散熱問題,而風扇停運會影響裝置的正常運行,因此風扇這種旋轉設備的使用,降低了TSC無功補償裝置的可靠性。
用晶閘管的易控和無觸點特性,使反向并聯(lián)晶閘管工作在電容器投切瞬間的暫態(tài)過程中,起到抑制涌流、過壓和拉弧現(xiàn)象,并能實現(xiàn)快速投切。利用交流接觸器在可靠閉合時,其主觸點接觸電阻小、導通容量大、壓降小、功耗小、工作安全可靠等特性,使其工作在電容器投入后和切除前的穩(wěn)態(tài)過程中,起到電容器向電網提供無功能量的主通道作用。
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4、結束語
綜上所述,采用無功補償可以提高功率因數(shù),是一項投資少,收效快的節(jié)能措施。采用補償電容器進行合理的補償一定能取得顯著的經濟效益,但要使低壓無功補償裝置真正實現(xiàn)節(jié)能降耗、延長供用電設備使用壽命、提高經濟效益的目的,就必須真正做到合理選型,以確保無功補償設備滿足具體的使用要求。作為無功補償裝置的使用者和制造者,在關注設備成本的同時,還應該充分考慮裝置的性能優(yōu)劣,從而獲得大的綜合經濟效益。