在國家節(jié)能降耗政策的落實中，低壓無功補償是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定與經(jīng)濟運行中一個重要的部分，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)大量諧波的背景下，具有濾波功能的動態(tài)低壓無功補償產(chǎn)品成為了最經(jīng)濟有效的解決方案。文章介紹了低壓動態(tài)無功補償及諧波治理的原理并針對性地給出了應(yīng)用實例。
隨著國家節(jié)能降耗政策的落實，以及供電部門對功率因數(shù)指標的市場化要求，越來越多的用戶已經(jīng)了解無功功率及無功補償?shù)闹匾�。可以說，低壓無功補償裝置已經(jīng)在絕大部分電力配電中進行了應(yīng)用。目前的低壓無功補償已經(jīng)從單純的電力電容器補償轉(zhuǎn)換為帶有濾波功能的無功補償。無功補償?shù)脑瓌t是“全面規(guī)劃，合理布局，分級補償，就地平衡;集中補償與分散補償相結(jié)合，低壓補償為主;調(diào)壓與降損相結(jié)合，降損為主”。因此，無功補償是國家節(jié)能降耗中非常重要的部分。
國標GB50227中規(guī)定了無功補償電容器的設(shè)計容量要求為變壓器的10%~30%�？紤]到對變壓器本身感性阻抗的補償，對于低壓配電側(cè)的集中補償，目前的應(yīng)用中通常為變壓器容量的20%~40%。例如針對一臺1000kVA容量的10/0.4kV的變壓器，它的配電所需無功容量一般為200~400kvar。
2 諧波對無功補償?shù)挠绊?/div>
在目前的設(shè)備運行中，由于電力電子類裝置的大量使用，諧波污染已成為一個嚴重的問題。由于低壓無功補償中電容器本身的阻抗是容性的，隨著諧波頻率的提高，電容器的容抗會隨著頻率有明顯減小，諧波很容易被電容器放大并迭加在電容的補償電流上，這將使流過電容器電流的有效值增加，電容器會由于諧波電流引起附加絕緣介質(zhì)損耗加大、溫度升高，加快電容器絕緣老化，甚至引起過熱使電容器損壞。同時，諧波電流被放大引發(fā)的諧波電壓增大一旦迭加在電容器的電壓上，同樣會使電容器電壓有效值增大，并且電壓峰值也會大大增加，造成電容器發(fā)生局部放電不能熄滅，這也是電容器損壞的一個主要原因。
所以，諧波會對無功補償?shù)碾娙莓a(chǎn)生很大的影響，現(xiàn)場應(yīng)用中比較普遍的現(xiàn)象就是由于諧波存在，無功補償電容器經(jīng)常出現(xiàn)電容膨脹，嚴重時還會出現(xiàn)電容爆炸等情況。
3 動態(tài)無功補償及諧波治理
可以通過在低壓電力電容器回路中串聯(lián)合理配置的電抗器進行諧波抑制和諧波濾除。
從原理上講，電容器在電路中是呈容性的，但是隨著諧波頻率的變化，電容器的容抗值也是變化的，如果在電路中串入對應(yīng)的合理配置電抗器，電抗器與電容器會在某一頻率下具有某一個確定的阻抗，因此可以實現(xiàn)在某一頻率下的諧波抑制或者濾除。
LC回路在基波條件下呈現(xiàn)出容性阻抗，從而達到無功補償?shù)哪康�，因此一般都按千�?kvar)計;而在某一諧波條件下呈現(xiàn)出對應(yīng)的較低阻抗，從而達到LC回路的諧波抑制和消除功能(見圖1)。
3.1 電抗率的選擇
在可抑制諧波的無功補償中，電抗率是一個非常重要的指標。電抗率P的定義是：在串聯(lián)LC回路中，在基波頻率下感抗與容抗的比值，即■，一般是用百分數(shù)表示。
圖2給出了電抗率分別為12.5%，7%以及5.5%情況下電容器配串聯(lián)電抗器的阻抗曲線圖。從圖中可以看出，當電抗率為12.5%時，串聯(lián)LC回路的零阻抗點出現(xiàn)在頻率141Hz處;當頻率為150Hz(即3次諧波頻率)時，LC串聯(lián)回路是呈感性阻抗狀態(tài)，不僅不會放大諧波，還能抑制和濾除諧波。
當電抗率為7%和5.5%時，串聯(lián)LC回路的零阻抗點分別出現(xiàn)在頻率189Hz和213Hz處，當頻率為150Hz(即3次諧波頻率)時，LC串聯(lián)回路是呈容性較低阻抗，因此會對3次諧波有放大作用，但對于5次(250Hz)及7次(350Hz)等諧波是呈感性阻抗的，會對這些諧波有抑制和消除作用。
根據(jù)目前電力諧波的主要來源情況，針對性地設(shè)計合理配置電抗率的無功補償，基本原則如下：在建筑、醫(yī)院等3次諧波較多場合可以選用P=12.5%的電抗系數(shù);工業(yè)等5次、7次諧波為主的場合可以選用P=5.5%的電抗系數(shù);電抗率為7%的LC回路是適合于非3次諧波場合的安全補償。
3.2 電容器的降容
雖然電容器的容值是用法拉(F)或者微法(μF)表示，但是在應(yīng)用中電容器的容量大多是以無功容量千乏(kvar)進行標稱。在可抑制諧波的無功補償中，無功補償?shù)娜萘渴且郧Х?shù)進行計算的，但電容器的容量并不能用這個無功容量進行配置，而且考慮到在工作中電容器的耐壓值，因此可抑制諧波的無功補償在應(yīng)用過程中會出現(xiàn)一個電容器降容的問題。
考慮電網(wǎng)電壓本身的波動以及由于電抗器和電容器串聯(lián)后的電壓抬高問題，電抗率為5.5%和7%的LC無功補償電容器的耐壓一般為480V，而電抗率為12.5%的補償回路中電容器的耐壓需達525V。在這樣的情況下，電容器的選擇可以根據(jù)工作點的補償電流進行確定。
以額定工作電壓400V，額定補償容量50kvar為例，假設(shè)選擇電抗率為7%的LC無功補償，則額定補償電流即為■=72.2A;而在額定補償電流的情況下，電容器的工作點應(yīng)該在430.1V，以此可以設(shè)計出電容器在耐壓為480V的條件下容量為66.8kvar。因此在選型時，需補償50kvar無功容量的電抗率為7%的可抑制諧振的無功補償中的電容器為66.8kVar/480V。
3.3 動態(tài)過零投切
在很多實際的無功補償現(xiàn)場，需要準確地過零補償并且具有快速的響應(yīng)能力。目前的動態(tài)過零補償大多是采用兩個晶閘管反并聯(lián)方式組成，不過驅(qū)動電路方面則各有不同，目前市場的產(chǎn)品大部分是采用光耦進行驅(qū)動，但是光耦的響應(yīng)速度相對較慢而且驅(qū)動電流比較有限，因此可以選擇脈沖變壓器對可控硅模塊進行驅(qū)動，這樣不僅保證了驅(qū)動的過零可靠性，而且可以滿足可控硅的驅(qū)動要求，使可控硅模塊實現(xiàn)準確可靠的過零投切，投切響應(yīng)時間不超過半個周期(10ms)。
4 模塊化的無功補償及諧波治理
江蘇斯菲爾電氣股份有限公司根據(jù)目前電力應(yīng)用中的典型諧波，充分考慮現(xiàn)場應(yīng)用情況，研制開發(fā)了動態(tài)的無功補償及諧波治理模塊化產(chǎn)品。
通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和專業(yè)的散熱設(shè)計將濾波電抗器和電容器組合成模塊形式(如圖3所示)。模塊主要由濾波電抗器、濾波補償電容器、可控硅投切單元、刀熔開關(guān)及熔芯、連接母排、導線、端子等元器件組成。由于模塊已經(jīng)完成連接與測試，只需放入柜體安裝即可。
模塊采用標準化模塊，可自由按需拼裝，并根據(jù)容量具有單路模塊與雙路模塊，適用于多種型式的柜體;采用主母排結(jié)構(gòu)，安全可靠，連接方便;可根據(jù)需要進行電抗系數(shù)的選擇，選型也非常方便，對內(nèi)部所有部件已經(jīng)進行了降容等參數(shù)設(shè)計，只需選擇額定補償容量即可。
在中國石化西北石油局S9氣站項目中，某一變壓器容量為800kVA的采油機場合，有比較豐富的5次7次諧波(基本不含3次諧波)，同時采油機在運行中功率因數(shù)變化是非常大的，因此需要采用動態(tài)可控硅投切以實現(xiàn)快速的無功補償，該工程選用了江蘇斯菲爾電氣股份有限公司的LBKT50×2-P5.5/400可控硅動態(tài)投切模塊3套，實現(xiàn)了300kvar的動態(tài)過零無功補償及諧波治理功能。
5 結(jié)束語
本文介紹了低壓動態(tài)無功補償及諧波治理的原理及對應(yīng)的電抗率的選取、電容器的降容問題以及動態(tài)過零投切問題，并針對性地給出了應(yīng)用實例。
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