4.案例
2022-07-18 13:57:49
赵雨
702
摘要：根据无功补偿原理，解决功率因数偏低的问题，结合该环保能源公司用电质量的现状，提出无功补偿解决方案，实际现场考察负载用电总结无功补偿装置的设计选型、安装及注意事项。ANSVC无功补偿装置由自愈式并联电容器、串联电抗器、投切开关、低压无功补偿控制器组成，能实时检测系统中的无功需量，进行无功补偿，从而提高功率因数，减少电费支出。
1、原理分析
1.1在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。
有功功率：正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其他形式能量(机械能、光能、热能)的电功率。
无功功率：比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。它不对外作功，而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如40瓦的日光灯，除需40多瓦有功功率(镇流器也需消耗一部分有功功率)来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才被称之为“无功”。
Q:无功功率（Kvar），S:视在功率（KVA），P:有功功率（Kw），PF:功率因数
1.2无功功率偏低的不良影响：
1、 降低发电机有功功率的输出
2、 降低输电、变电设备的供电能力
3、 线路损失加大和电能损耗增加
4、 功率因数下降，电费增收，成本增加
5、 使电气设备得不到充分发挥
1.3并联电容器无功补偿原理：
如图1，将并联电容器C与变压器或负载并联，则变压器或负载所需要的无功功率全部或部分由并联电容器供给，即并联电容器发出的容性无功可以补偿负载所消耗的无功。
如图2，当未接电容C时，流过电感L的电流为IL,，流过电阻R的电流为IR,电源供给的电流为I1,I1=IR+jIL,此时相位角为Φ1,功率因数为COSΦ1；并联接入电容C后，由于电容电流IC与电感电流IL方向相反，使得电源供给电流由I1减小为I2，I2=IR+j（IL-IC），相角由Φ1减小到Φ2,功率因数由COSΦ1提高到COSΦ2。
图1
图2
在纯电容无功补偿中，电容器本身阻抗是容性的，随着谐波频率的提高，电容器的容抗会明显减小，使得谐波被电容器放大，从而叠加在补偿电流上，使电流合理值显著增加，电容器由于谐波电流的加大产生温度过高、*缘老化、鼓包等问题。且谐波电流放大引发谐波电压加大，一旦叠加到电容器的电压上，也会使电压合理值增加，电压峰值增加，从而引起电容器产生局部放电且不能熄灭，这也是电容器鼓包损坏的一个重要因素。在大多数的低压电力系统中，谐波会对电容柜产生较大的影响。现场应用总比较常见的有变频设备数量较多、容量较大，变频器前端没有进线电抗器，相互之间会产生谐振，从而引起电容器经常出现鼓包发热等情况。
通过在低压电力电容器中串联合理配置的电抗器，进行谐波控制。电容器的容抗值为1/ωC；在电路中串联对应的电抗器，该电抗器感抗为ωL，则电容器与电抗器会在某一频率下具有确定的阻抗，从而实现在该频率下谐波控制。
电抗率的定义为：LC串联回路中，在基波频率下感抗和容抗的比值，即XL/XC,电抗率一般为6%、7%、12.5%、14%，电抗系数对应的谐振频率如下表1所示。若使用6%电抗器，谐振点频率为204Hz，远离5次谐波谐振点，但靠近4次谐波谐振点200Hz，例如，三相6脉冲的变频设备，如果其中有一只晶闸管损坏，则会变成相当于5脉冲设备，因此将会产生4次谐波。 若使用7%电抗器，谐振点频率为189Hz，远离5次谐波谐振点，则谐波分流流入的少，可更好的保护电容器，7%电抗是常用的安全补偿方式。12.5%电抗器谐振点频率为141Hz，接近3次谐振点150Hz，易产生谐振，影响电容器正常使用。14%电抗器谐振点频率为134Hz，远离3次谐振点150Hz，14%电抗相较于12.5%更加安全可靠。7%电抗控制5、7次以上谐波，14%电抗控制3次以上谐波。
当无功补偿中有电抗进行谐波控制，电容器的容量不能按标称值进行补偿，考虑到电容器的耐压值，谐波控制式无功补偿在应用过程中会出现电容器降容的问题。由于电网电压本身的波动及由于电抗器和电容器串联后，电容器端子间电压被抬高，电抗率7%的无功补偿电容器耐压值一般为480V；电抗率14的无功补偿电容器耐压值为525V。以在400V系统中7%电抗率电容电抗额定电压为480V,额定补偿容量为50Kvar为例，额定补偿电流为60.1A，而实际补偿电流计算为53.9A，电容会由于电压差而降容，装机容量50Kvar，而实际容量只有37.5Kvar。
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2、项目概述
江苏某环保能源公司，占地面积约16.6公顷，项目一期建设4条日处理500吨的焚烧线，2台18MW的汽轮发电机组，生活垃圾焚烧能力为2000吨/天，年发电量2.72亿千瓦时以上。现有多套新建2000KVA变压器需配套两电容补偿柜，柜子尺寸为宽1000*深1000*高2200，主要负载为电动机、办公用电、照明等。
3、解决方案
变压器容量为2000KVA，负荷率为0.8左右，预估电容柜装机容量为两套300Kvar，根据现场环境预估为3、5、7次谐波为主，谐波主要影响电容正常工作，容易发热、鼓包等，需配套14%电抗率的电抗器使用，电抗器主要功能为控制谐波进入电容器，从而保护电容，增加电容器使用寿命。根据柜子尺寸及设备尺寸确定电容配置方案为每个柜子安装40Kvar*6路和30Kvar*2路。
4、ANSVC无功补偿装置
4.1 概述
ANSVC无功补偿装置适用于频率50Hz电压0.4KV的系统中，ANSVC低压无功功率补偿装置并联在整个供电系统中，能根据电网中负载功率因数的变化控制电力电容器投切进行补偿。其原理为：ANSVC低压无功功率补偿装置通过CT采集电流、电压信号，由无功补偿控制器计算，计算出投切电容器的方案，通过投切开关控制各组电力电容器投切。
图3 ANSVC无功补偿装置
4.2 ANBSMJ自愈式并联电容器
ANCK系列串联电抗器与ANBSMJ系列自愈式低压并联电容器配套使用，主要用于提高0.4KV电力系统的功率因数，控制电网的高次谐波，减轻电容器由谐波引起的过载，防止谐波过大，对电容器的安全运行，改良网络电压波形，提高供电质量和电网安全经济运行起良好作用，适用于3、5、7、9次谐波负载的无功补偿。ANCK采用铜或铝绕组，电抗分为共补电抗（如图7）和分补电抗（图8），共补电抗器主要用于三相负载，分补电抗器主要用于单相负载，电抗率分为7%或14%。ANBSMJ系列自愈式低压并联电容器一般应用于低压交流电力系统中，对工频低压电力系统设备的功率因数进行校正，就地或者集中补偿无功，电容器采用自愈式并联电容器，自愈式在击穿后可以进行自我恢复，工作状态下损耗小，并联式电容器即使损坏也不会影响电网的正常使用。电容器从外形上分为圆形（如图4）和方形（如图5），功能上分为共补电容和分补电容（如图6）。
图4 圆形电容
图5 方形电容器
图6 共补分补电容器上图示例
4.3 ANCK串联电抗器
图8 分补电抗
图7 共补电抗
4.4 AFK投切开关
AFK系列投切开关是低压无功补偿装置中，用于投切电容器的产品。其基本工作原理是在控制器发出投入或切除指令后，投切开关闭合或断开，将无功补偿支路与系统连接或中断，实现过零投切，投切过程无过压、电弧等现象，响应时间快，可频繁投切。投切开关分为复合开关（如图9）和晶闸管开关（如图10）。
图9 复合开关图
图10 晶闸管开关
4.5 ARC控制器
ARC功率因数补偿控制器采用高性能MCU为核心，配以高精度的电量专用芯片，是以功率因数为取样物理量的补偿器，改控制器能可靠地运行在大谐波、非正弦电流、强干扰等任何恶劣电网环境下。自适应功能保证了电力电容的使用安全，实现了电容补偿柜的自动稳定投切，合理改良电网的功率因数，是低压配电系统补偿无功功率的较理想控制器。
产品的主要特点：缺相保护、过温保护、过压欠压保护、电压电流谐波保护、多种编码投切、补偿方式多样化。
ARC控制器外形尺寸（mm）：144*144，开孔尺寸（mm）：138*138
图11 控制器外形
图12控制器尺寸
4.6 技术参数
4.7 接线方式
5 结语
ANSVC无功补偿装置可满足该环保能源项目中无功补偿的需求，提高电能质量，可以降低电网损耗和用电成本，能保障电力系统的安全用电、连续供电和经济运行。ANSVC无功补偿装置在运行中安全可靠，保护功能齐全，通过RS485与后台配合使用，能够更加方便快捷地检测电网系统，减少人力资源的投入。
6 参考文献
[1]企业微电网设计与应用手册.2020.6
[2]李林川，电力系统基础 [M]．北京：科学出版社，2009.
[3]李燕，贾新立，江洪，等，无功补偿在配电网中应用的试验与分析[J].电力电容器与无功补偿，2012，33（6）；53-58.
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