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技術文章

ANSVC無功補償裝置助力江蘇某環保能源項目

技術文章

陳志豪

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

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,而是轉變為其他形式的能量。凡是有電磁線圈的電氣設備,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(鎮流器也需消耗一部分有功功率)來發光外,還需80乏左右的無功功率供鎮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"。


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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、 線路損失增大和電能損耗增加

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。

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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,使電流有效值顯著增加,電容器由于諧波電流的增大產生溫度過高、絕緣老化、鼓包等問題。且諧波電流放大引發諧波電壓增大,一旦疊加到電容器的電壓上,也會使電壓有效值增加,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中,諧波會對電容柜產生較大的影響?,F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,進行諧波抑制。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抑制。

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%電抗抑制5、7次以上諧波,14%電抗抑制3次以上諧波。

電抗率

頻率

6%

204Hz

7%

189Hz

12.5%

141Hz

14

134Hz

當無功補償中有電抗進行諧波抑制,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,諧波抑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的汽輪發電機組,生活垃圾焚燒能力為2000噸/天,年發電量2.72億千瓦時以上?,F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。

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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的系統中,ANSVC低壓無功功率補償裝置并聯在整個中,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。

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3  ANSVC無功補償裝置





















4.2 ANBSMJ自愈式并聯電容

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中,對工頻低壓電力系統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)。





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4.3 ANCK串聯電抗器

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電力系統的功率因數,抑制電網的高次諧波,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,改善網絡電壓波形,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%。

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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)。

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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境下。自適應功能保證了電力電容的使用安全,真正實現了電容補償柜的自動穩定投切,有效改善電網的功率因數,是低壓配電系統補償無功功率的理想控制器。

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

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4.6 技術參數

參數類型

指標

海拔高度

≤2000米

環境溫度

-25~55℃

相對濕度

40℃,20~90%

額定電壓

AC220V或AC380V

電容容量偏差

不超過額定值的-5~+10%

過壓能力

允許在1.1Un下長期運行

過流能力

允許在1.3In下長期運行

電容內置放電電阻

在斷電后3分鐘內可將端子上的電壓降低至75V以下

涌流

100In

電抗率

7%、14%

電抗器溫升

≤95K(工頻額定電流下)

電抗器絕緣耐熱等級

H級(180℃)

線性度

1.8In下,電感值不低于0.95倍的額定電感值

投切開關控制電壓

可接受控制輸出的直流5V-12V/10mA控制信號

電流規格

45A、55A、70A、80A、110A(B型尺寸額定電流70A)






4.7 接線方

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5 結語

ANSVC無功補償裝置可滿足該環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,能保障電力系統的安全用電、連續供電和經濟運行。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,減少人力資源的投入。

6 參考文獻

[1]企業微電網設計與應用手冊.2020.6

[2]李林川,電力系統基礎 [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.

7 作者介紹

陳志豪,男,現任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要研究方向為傳統無功補償產品的應用。手機:15221447990






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