王晶晶
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償原理，解決功率因數(shù)偏低的問(wèn)題，結(jié)合該環(huán)保能源公司用電質(zhì)量的現(xiàn)狀，提出無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)選型、安裝及注意事項(xiàng)。ANSVC無(wú)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(kāi)關(guān)、低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器組成，能實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中的無(wú)功需量，進(jìn)行無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(wú)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(lái)發(fā)光外，還需80乏左右的無(wú)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(wú)功"。
Q:無(wú)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(wú)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、線路損失的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(wú)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(wú)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(wú)功可以補(bǔ)償負(fù)載所消耗的無(wú)功。
如圖2，當(dāng)未接電容C時(shí)，流過(guò)電感L的電流為IL,，流過(guò)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。
圖1
圖2
在純電容無(wú)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(guò)高、絕緣老化、鼓包等問(wèn)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(jiàn)的有變頻設(shè)備數(shù)量較多、容量較大，變頻器前端沒(méi)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(guò)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。
當(dāng)無(wú)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(wú)功補(bǔ)償在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)電容器降容的問(wèn)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(wú)功補(bǔ)償電容器耐壓值一般為480V；電抗率14的無(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置
4.1 概述
ANSVC無(wú)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(wú)功功率補(bǔ)償裝置并聯(lián)在整個(gè)供電系統(tǒng)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(wú)功功率補(bǔ)償裝置通過(guò)CT采集電流、電壓信號(hào)，由無(wú)功補(bǔ)償控制器計(jì)算，計(jì)算出投切電容器的方案，通過(guò)投切開(kāi)關(guān)控制各組電力電容器投切。
圖3 ANSVC無(wú)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(wú)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）。
圖4 圓形電容
圖5 方形電容器
圖6 共補(bǔ)分補(bǔ)電容器上圖示例
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(guò)載，防止諧波過(guò)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(wú)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%。
圖7 共補(bǔ)電抗
圖8 分補(bǔ)電抗
4.4 AFK投切開(kāi)關(guān)
AFK系列投切開(kāi)關(guān)是低壓無(wú)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(kāi)關(guān)閉合或斷開(kāi)，將無(wú)功補(bǔ)償支路與系統(tǒng)連接或中斷，實(shí)現(xiàn)過(guò)零投切，投切過(guò)程無(wú)過(guò)壓、電弧等現(xiàn)象，響應(yīng)時(shí)間快，可頻繁投切。投切開(kāi)關(guān)分為復(fù)合開(kāi)關(guān)（如圖9）和晶閘管開(kāi)關(guān)（如圖10）。
圖9 復(fù)合開(kāi)關(guān)圖
圖10 晶閘管開(kāi)關(guān)
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，配以高精度的電量專用芯片，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，有效實(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(wú)功功率的理想控制器。
產(chǎn)品的主要特點(diǎn)：缺相保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、過(guò)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(kāi)孔尺寸（mm）：138*138
圖11 控制器外形
圖12控制器尺寸
4.6 技術(shù)參數(shù)
4.7 接線方式
5 結(jié)語(yǔ)
ANSVC無(wú)功補(bǔ)償裝置可滿足該環(huán)保能源項(xiàng)目中無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨螅岣唠娔苜|(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(wú)功補(bǔ)償裝置在運(yùn)行中安全可靠，保護(hù)功能齊全，通過(guò)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償，2012，33（6）；53-58.
