在正常情況下, 用電設(shè)備不但要從電源取得有功功率, 同時還需要從電源取得無功功率。如果電網(wǎng)中的無功功率供不應(yīng)求, 用電設(shè)備就沒有足夠的無功功率來建立正常的電磁場, 在額定情況下, 用電設(shè)備的端電壓就會下降, 從而影響用電設(shè)備的正常運行。發(fā)電機和高壓輸電線供給的無功功率, 遠遠滿足不了負荷的需要, 所以在電網(wǎng)中要設(shè)置一些無功補償裝置來補充無功功率, 以保證用戶對無功功率的需要, 使用電設(shè)備在額定電壓下正常工作。無功功率對供、用電產(chǎn)生的不良影響主要表現(xiàn)在:

(1) 降低發(fā)電機有功功率的輸出。

(2) 降低輸、變電設(shè)備的供電能力。

(3) 造成線路電壓損失增大和電能損耗增加。

(4) 造成低功率因數(shù)運行和電壓下降, 使電氣設(shè)備容量得不到充分發(fā)揮。

目前水泥廠無功補償?shù)姆绞街饕懈邏杭醒a償、低壓集中補償、高壓電機機旁補償。本文重點討論低壓集中補償在設(shè)計選型中的一些問題。

近幾年, 隨著變頻器設(shè)備、開關(guān)電源、氣體放電等各種非線性設(shè)備的大量使用, 電容器裝置運行環(huán)境日益惡化, 我公司在埃及、馬來西亞等項目中低壓補償出現(xiàn)較多問題。在國內(nèi)我們過去設(shè)計的水泥廠低壓電容器的故障率也是較高的, 這主要是由于我們對電容器柜內(nèi)的元件選型認識不足, 特別是串聯(lián)電抗器和電容器的投入都會影響電容器端的電壓。

低壓并聯(lián)電容器裝置的三種接線方式分別是三角形接線、帶中性點的星形接線和不帶中性線的星形接線。

三角形接線方式對3次及3的整數(shù)倍諧波不形成通路, 不受背景諧波中3次諧波的影響。此接線只能進行三相共補, 不能進行分相補償。

帶中性線的星形接線, 其引出中性線為3次諧波流動提供路徑。考慮3 次諧波流過電容器, 為避免發(fā)生3次諧振而造成電容器過載, 常采用提高串聯(lián)電抗器的電抗率措施, 這會導(dǎo)致投資增加。該接線方式的優(yōu)點是, 不僅能進行三相共補, 也能進行分相補償。

不帶中性線的星形接線對3次諧波也不形成通路, 不受外部3 次諧波的影響, 只能進行三相共補, 不能進行分相補償。該接線方式的缺點是, 當(dāng)某一相電容器發(fā)生故障擊穿形成短路后, 剩余兩相因承受線電壓而同時損壞;或者三相電容器因自身電容誤差會導(dǎo)致該接線的中性點漂移, 使某一相電容器承受電壓超過額定值而損壞。

綜上所述, 在水泥廠的工程設(shè)計中, 三相負荷基本平衡, 無需分相補償, 只需三相共補, 因此只需要三角形接線方式, 自動投切控制器只需檢測一相負荷電流即可。

目前常用的低壓并聯(lián)電容器投切裝置主要有兩種, 電容器投切專用接觸器和可控硅開關(guān)。

與普通交流接觸器相比, 電容器投切專用接觸器可以降低投切時的涌流和過電壓, 無壓降、控制簡單、成本低。缺點是不能夠完全抑制投切時產(chǎn)生的涌流和過電壓, 關(guān)斷時產(chǎn)生拉弧, 造成接觸器壽命變短。

可控硅投切開關(guān)利用電子開關(guān)反應(yīng)速度快的特點是在電壓過零點導(dǎo)通, 實現(xiàn)無涌流投入;在電流過零點關(guān)斷, 不會產(chǎn)生拉弧;無觸點, 使用壽命長。缺點是可控硅在導(dǎo)通運行時, 可控硅結(jié)間會產(chǎn)生大約0.7V的壓降, 通常30kvar三角形接線的電容器額定電流為46A, 則一個可控硅所消耗功率約為32W。同時可控硅裝置自身會產(chǎn)生諧波, 關(guān)斷期間還會產(chǎn)生電流泄漏, 使用成本也較高。

對于負荷變化快、用電設(shè)備對電壓質(zhì)量要求較高的場合, 建議選用可控硅開關(guān)作為投切裝置。對于水泥廠來說設(shè)備一旦運行, 無功的需求相對穩(wěn)定, 所以水泥廠電容器的投切建議選用專用接觸器投切, 但接觸器的容量要適當(dāng)加大。

選擇電容器時, 一般要考慮電壓、電網(wǎng)諧波、補償容量及電容器保護等因素。

電容器的容量與運行電壓平方成反比, 選擇電容器額定電壓應(yīng)從實際電容器容量和其耐壓能力來考慮。電容器額定電壓至少等于接入電網(wǎng)的運行電壓, 同時還要考慮接入后電網(wǎng)電壓升高、電網(wǎng)諧波電壓的存在使電壓升高以及為降低諧波影響而串聯(lián)電抗器后的電容器端子上電壓升高。

并聯(lián)電容器接入電網(wǎng)后, 導(dǎo)致母線運行電壓升高, 此值可由式 (1) 計算:

式中:

ΔU——母線電壓升高值, kV

U_SO——并聯(lián)電容器裝置投入前的母線電壓, kV

S——母線三相短路容量, MVA

Q——母線上所有運行的電容器容量, Mvar

串聯(lián)電抗器后, 電容器端子上電壓升高, 其值可按照公式 (2) 計算:

式中:

U_C——電容器運行電壓, kV

U_S——并聯(lián)電容器裝置的母線運行電壓, kV

K——電抗率

A——接線系數(shù), 星形接線取, 三角形取1

舉例說明, 一臺300kvar并聯(lián)電容器裝置, 串聯(lián)電抗率7% (目前設(shè)計采用的經(jīng)驗值) , 投入前母線電壓為0.4kV, 母線短路容量為20MVA, 根據(jù)公式 (1) 可得母線電壓升高值:

由式 (2) 可得電容器端子上所加電壓為:

考慮諧波存在會使電壓升得更高, 可選額定電壓480V的電容器。

非線性用電設(shè)備的廣泛應(yīng)用 (如電動機調(diào)速設(shè)備、整流設(shè)備、電弧爐、磁飽和變壓器、照明控制系統(tǒng)、辦公自動化設(shè)備、開關(guān)電源、不間斷電源、電子鎮(zhèn)流器、電焊設(shè)備、電子控制機構(gòu)等) , 使電力系統(tǒng)存在許多諧波源。如果直接接入并聯(lián)電容器, 電容器是容性阻抗, 并且阻抗和頻率成反比, 因此電容器容易吸收諧波電流引起過載發(fā)熱。另外, 由于回路參數(shù)的變化, 使得容性阻抗與感性阻抗相等時容易產(chǎn)生諧波諧振, 在串聯(lián)諧振時一個小的諧振電壓就可產(chǎn)生較大的諧波電流, 增加電容器發(fā)熱, 導(dǎo)致絕緣擊穿事故。基波電壓和諧波電壓疊加, 會增加局部放電次數(shù), 降低電容器壽命。

為了抑制諧波, 在電容器裝置中宜串聯(lián)電抗, 通過選擇電容、電抗參數(shù)避開諧振點。等效電路如圖1 所示。

當(dāng)LC串聯(lián)回路阻抗Z=X_L-X_C=0 時會發(fā)生諧振, 因此諧波條件下:

式中:

K——電抗率

f——諧波頻率

f_n——基波頻率LC

對諧波源來講LC串聯(lián)回路應(yīng)保持感性。根據(jù)上述公式可知, 當(dāng)抑制3 次諧波時串聯(lián)電抗率K取12%~13%;當(dāng)抑制5 次諧波時取4.5%~7%;當(dāng)抑制7 次諧波時取3%;當(dāng)抑制9次諧波時取2%。串聯(lián)LC回路的諧振頻率必須低于系統(tǒng)出現(xiàn)的最低次的諧波頻率。因為這時串聯(lián)LC回路可能出現(xiàn)的諧波頻率均高于諧振頻率, 回路為感性, 不可能再激活任何諧振;如果LC回路諧振頻率高于任何可能出現(xiàn)的諧振頻率, 回路為容性, 與感性負載又可能產(chǎn)生諧振回路。

另外, 串聯(lián)電抗可有效抑制電容器投入電網(wǎng)時產(chǎn)生的涌流, 防止和減輕開斷電容器組時發(fā)生的重燃。

串聯(lián)電抗后, 在串聯(lián)電抗器上存在一個電壓降, 導(dǎo)致電容器的基波電壓升高, 電抗率越高, 電壓增加越大。實際加在電容器上的電壓:

式中:

U_C——電容器實際電壓

U_n——系統(tǒng)標(biāo)稱電壓

無功功率輸出量:

式中:

Q_C——選擇電壓下應(yīng)輸出的無功補償容量

Q_n——標(biāo)稱電壓下標(biāo)稱無功補償容量

比如, 系統(tǒng)標(biāo)稱電壓400V, 電容器標(biāo)稱容量30kvar, 電容器裝置配6%的電抗器, 則電容器的實際電壓:

因此選用440V電容器。

選擇電壓下應(yīng)輸出的無功:

在選擇接線方式、投切裝置、電容器及電抗器的參數(shù)時, 需要綜合考慮他們之間的關(guān)系, 而這僅是低壓并聯(lián)電容器裝置設(shè)計需要考慮的部分因素, 還要結(jié)合其他相關(guān)因素來考慮, 如自動投切的步數(shù)、控制器的性能、保護措施及保護設(shè)備的性能等。