安科瑞 陳聰

摘要：根據無功補償原理，解決功率因數偏低的問題，結合該環(huán)保能源公司用電質量的現狀，提出無功補償解決方案，實際現場考察負載用電總結無功補償裝置的設計選型、安裝及注意事項。ANSVC無功補償裝置由自愈式并聯電容器、串聯電抗器、投切開關、低壓無功補償控制器組成，能實時檢測系統(tǒng)中的無功需量，進行無功補償，從而提高功率因數，減少電費支出。

1、原理分析

1.1在交流電路中，由電源供給負載的電功率有兩種；一種是有功功率，一種是無功功率。

有功功率：正常運行所需的電功率，也就是將電能轉換為其他形式能量(機械能、光能、熱能)的電功率。

無功功率：比較抽象，它是用于電路內電場與磁場的交換，并用來在電氣設備中建立和維持磁場的電功率。它不對外作功，而是轉變?yōu)槠渌问降哪芰俊７彩怯须姶啪€圈的電氣設備，要建立磁場，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用。由于它不對外做功，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

1.2無功功率偏低的不良影響：

1、 降低發(fā)電機有功功率的輸出

2、 降低輸電、變電設備的供電能力

3、 線路損失加大和電能損耗增加

4、 功率因數下降，電費增收，成本增加

5、 使電氣設備得不到充分發(fā)揮

1.3并聯電容器無功補償原理：

如圖1，將并聯電容器C與變壓器或負載并聯，則變壓器或負載所需要的無功功率全部或部分由并聯電容器供給，即并聯電容器發(fā)出的容性無功可以補償負載所消耗的無功。

如圖2，當未接電容C時，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,此時相位角為Φ1,功率因數為COSΦ1；并聯接入電容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,功率因數由COSΦ1提高到COSΦ2。

圖1

圖2

在純電容無功補償中，電容器本身阻抗是容性的，隨著諧波頻率的提高，電容器的容抗會明顯減小，使得諧波被電容器放大，從而疊加在補償電流上，使電流合理值顯著增加，電容器由于諧波電流的加大產生溫度過高、絕緣老化、鼓包等問題。且諧波電流放大引發(fā)諧波電壓加大，一旦疊加到電容器的電壓上，也會使電壓合理值增加，電壓峰值增加，從而引起電容器產生局部放電且不能熄滅，這也是電容器鼓包損壞的一個重要因素。在大多數的低壓電力系統(tǒng)中，諧波會對電容柜產生較大的影響。現場應用總比較常見的有變頻設備數量較多、容量較大，變頻器前端沒有進線電抗器，相互之間會產生諧振，從而引起電容器經常出現鼓包發(fā)熱等情況。

通過在低壓電力電容器中串聯合理配置的電抗器，進行諧波控制。電容器的容抗值為1/ωC；在電路中串聯對應的電抗器，該電抗器感抗為ωL，則電容器與電抗器會在某一頻率下具有確定的阻抗，從而實現在該頻率下諧波控制。

電抗率的定義為：LC串聯回路中，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%，電抗系數對應的諧振頻率如下表1所示。若使用6%電抗器，諧振點頻率為204Hz，遠離5次諧波諧振點，但靠近4次諧波諧振點200Hz，例如，三相6脈沖的變頻設備，如果其中有一只晶閘管損壞，則會變成相當于5脈沖設備，因此將會產生4次諧波。 若使用7%電抗器，諧振點頻率為189Hz，遠離5次諧波諧振點，則諧波分流流入的少，可更好的保護電容器，7%電抗是常用的安全補償方式。12.5%電抗器諧振點頻率為141Hz，接近3次諧振點150Hz，易產生諧振，影響電容器正常使用。14%電抗器諧振點頻率為134Hz，遠離3次諧振點150Hz，14%電抗相較于12.5%更加安全可靠。7%電抗控制5、7次以上諧波，14%電抗控制3次以上諧波。

當無功補償中有電抗進行諧波控制，電容器的容量不能按標稱值進行補償，考慮到電容器的耐壓值，諧波控制式無功補償在應用過程中會出現電容器降容的問題。由于電網電壓本身的波動及由于電抗器和電容器串聯后，電容器端子間電壓被抬高，電抗率7%的無功補償電容器耐壓值一般為480V；電抗率14的無功補償電容器耐壓值為525V。以在400V系統(tǒng)中7%電抗率電容電抗額定電壓為480V,額定補償容量為50Kvar為例，額定補償電流為60.1A，而實際補償電流計算為53.9A，電容會由于電壓差而降容，裝機容量50Kvar，而實際容量只有37.5Kvar。

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2、項目概述

江蘇某環(huán)保能源公司，占地面積約16.6公頃，項目一期建設4條日處理500噸的焚燒線，2臺18MW的汽輪發(fā)電機組，生活垃圾焚燒能力為2000噸/天，年發(fā)電量2.72億千瓦時以上。現有多套新建2000KVA變壓器需配套兩電容補償柜，柜子尺寸為寬1000*深1000*高2200，主要負載為電動機、辦公用電、照明等。

3、解決方案

變壓器容量為2000KVA，負荷率為0.8左右，預估電容柜裝機容量為兩套300Kvar，根據現場環(huán)境預估為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，電抗器主要功能為控制諧波進入電容器，從而保護電容，增加電容器使用壽命。根據柜子尺寸及設備尺寸確定電容配置方案為每個柜子安裝40Kvar*6路和30Kvar*2路。

4、ANSVC無功補償裝置

4.1 概述

    ANSVC無功補償裝置適用于頻率50Hz電壓0.4KV的系統(tǒng)中，ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個供電系統(tǒng)中，能根據電網中負載功率因數的變化控制電力電容器投切進行補償。其原理為：ANSVC低壓無功功率補償裝置通過CT采集電流、電壓信號，由無功補償控制器計算，計算出投切電容器的方案，通過投切開關控制各組電力電容器投切。

圖3  ANSVC無功補償裝置

4.2 ANBSMJ自愈式并聯電容器

      ANCK系列串聯電抗器與ANBSMJ系列自愈式低壓并聯電容器配套使用，主要用于提高0.4KV電力系統(tǒng)的功率因數，控制電網的高次諧波，減輕電容器由諧波引起的過載，防止諧波過大，對電容器的安全運行，改良網絡電壓波形，提高供電質量和電網安全經濟運行起良好作用，適用于3、5、7、9次諧波負載的無功補償。ANCK采用銅或鋁繞組，電抗分為共補電抗（如圖7）和分補電抗（圖8），共補電抗器主要用于三相負載，分補電抗器主要用于單相負載，電抗率分為7%或14%。ANBSMJ系列自愈式低壓并聯電容器一般應用于低壓交流電力系統(tǒng)中，對工頻低壓電力系統(tǒng)設備的功率因數進行校正，就地或者集中補償無功，電容器采用自愈式并聯電容器，自愈式在擊穿后可以進行自我恢復，工作狀態(tài)下損耗小，并聯式電容器即使損壞也不會影響電網的正常使用。電容器從外形上分為圓形（如圖4）和方形（如圖5），功能上分為共補電容和分補電容（如圖6）。

圖4  圓形電容

圖5  方形電容器

圖6  共補分補電容器上圖示例

4.3 ANCK串聯電抗器

圖8  分補電抗

圖7  共補電抗

4.4 AFK投切開關

    AFK系列投切開關是低壓無功補償裝置中，用于投切電容器的產品。其基本工作原理是在控制器發(fā)出投入或切除指令后，投切開關閉合或斷開，將無功補償支路與系統(tǒng)連接或中斷，實現過零投切，投切過程無過壓、電弧等現象，響應時間快，可頻繁投切。投切開關分為復合開關（如圖9）和晶閘管開關（如圖10）。

圖9  復合開關圖

圖10  晶閘管開關

4.5 ARC控制器

ARC功率因數補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，是以功率因數為取樣物理量的補償器，改控制器能可靠地運行在大諧波、非正弦電流、強干擾等任何惡劣電網環(huán)境下。自適應功能保證了電力電容的使用安全，實現了電容補償柜的自動穩(wěn)定投切，合理改良電網的功率因數，是低壓配電系統(tǒng)補償無功功率的較理想控制器。

產品的主要特點：缺相保護、過溫保護、過壓欠壓保護、電壓電流諧波保護、多種編碼投切、補償方式多樣化。

     ARC控制器外形尺寸（mm）：144*144，開孔尺寸（mm）：138*138

圖11  控制器外形

圖12控制器尺寸

4.6 技術參數

4.7 接線方式

5 結語

ANSVC無功補償裝置可滿足該環(huán)保能源項目中無功補償的需求，提高電能質量，可以降低電網損耗和用電成本，能保障電力系統(tǒng)的安全用電、連續(xù)供電和經濟運行。ANSVC無功補償裝置在運行中安全可靠，保護功能齊全，通過RS485與后臺配合使用，能夠更加方便快捷地檢測電網系統(tǒng)，減少人力資源的投入。

6 參考文獻

[1]企業(yè)微電網設計與應用手冊.2020.6

[2]李林川，電力系統(tǒng)基礎 [M]．北京：科學出版社，2009.

[3]李燕，賈新立，江洪，等，無功補償在配電網中應用的試驗與分析[J].電力電容器與無功補償，2012，33（6）；53-58.