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低压动态无功补偿及谐波治理的原理

发布时间:2017-08-08

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发布人:未知

    在国家节能降耗政策的落实中,低压无功补偿是维持电力系统稳定与经济运行中一个重要的部分,在电力系统出现大量谐波的背景下,具有滤波功能的动态低压无功补偿产品成为了最经济有效的解决方案。文章介绍了低压动态无功补偿及谐波治理的原理并针对性地给出了应用实例。
 
    1 低压无功补偿的现状
 
    随着国家节能降耗政策的落实,以及供电部门对功率因数指标的市场化要求,越来越多的用户已经了解无功功率及无功补偿的重要性。可以说,低压无功补偿装置已经在绝大部分电力配电中进行了应用。目前的低压无功补偿已经从单纯的电力电容器补偿转换为带有滤波功能的无功补偿。无功补偿的原则是“全面规划,合理布局,分级补偿,就地平衡;集中补偿与分散补偿相结合,低压补偿为主;调压与降损相结合,降损为主”。因此,无功补偿是国家节能降耗中非常重要的部分。
 
    无功补偿的主要意义有:(1)改善电压质量;(2)降低线损;(3)线路、变压器的增容;(4)降低企业用电成本等。
 
    国标GB50227中规定了无功补偿电容器的设计容量要求为变压器的10%~30%。考虑到对变压器本身感性阻抗的补偿,对于低压配电侧的集中补偿,目前的应用中通常为变压器容量的20%~40%。例如针对一台1000kVA容量的10/0.4kV的变压器,它的配电所需无功容量一般为200~400kvar。
 
    2 谐波对无功补偿的影响
 
    在目前的设备运行中,由于电力电子类装置的大量使用,谐波污染已成为一个严重的问题。由于低压无功补偿中电容器本身的阻抗是容性的,随着谐波频率的提高,电容器的容抗会随着频率有明显减小,谐波很容易被电容器放大并迭加在电容的补偿电流上,这将使流过电容器电流的有效值增加,电容器会由于谐波电流引起附加绝缘介质损耗加大、温度升高,加快电容器绝缘老化,甚至引起过热使电容器损坏。同时,谐波电流被放大引发的谐波电压增大一旦迭加在电容器的电压上,同样会使电容器电压有效值增大,并且电压峰值也会大大增加,造成电容器发生局部放电不能熄灭,这也是电容器损坏的一个主要原因。
 
    所以,谐波会对无功补偿的电容产生很大的影响,现场应用中比较普遍的现象就是由于谐波存在,无功补偿电容器经常出现电容膨胀,严重时还会出现电容爆炸等情况。
 
    3 动态无功补偿及谐波治理
 
    可以通过在低压电力电容器回路中串联合理配置的电抗器进行谐波抑制和谐波滤除。
 
    从原理上讲,电容器在电路中是呈容性的,但是随着谐波频率的变化,电容器的容抗值也是变化的,如果在电路中串入对应的合理配置电抗器,电抗器与电容器会在某一频率下具有某一个确定的阻抗,因此可以实现在某一频率下的谐波抑制或者滤除。
 
    LC回路在基波条件下呈现出容性阻抗,从而达到无功补偿的目的,因此一般都按千乏(kvar)计;而在某一谐波条件下呈现出对应的较低阻抗,从而达到LC回路的谐波抑制和消除功能(见图1)。
 
    3.1 电抗率的选择
 
    在可抑制谐波的无功补偿中,电抗率是一个非常重要的指标。电抗率P的定义是:在串联LC回路中,在基波频率下感抗与容抗的比值,即■,一般是用百分数表示。
 
    图2给出了电抗率分别为12.5%,7%以及5.5%情况下电容器配串联电抗器的阻抗曲线图。从图中可以看出,当电抗率为12.5%时,串联LC回路的零阻抗点出现在频率141Hz处;当频率为150Hz(即3次谐波频率)时,LC串联回路是呈感性阻抗状态,不仅不会放大谐波,还能抑制和滤除谐波。
 
    当电抗率为7%和5.5%时,串联LC回路的零阻抗点分别出现在频率189Hz和213Hz处,当频率为150Hz(即3次谐波频率)时,LC串联回路是呈容性较低阻抗,因此会对3次谐波有放大作用,但对于5次(250Hz)及7次(350Hz)等谐波是呈感性阻抗的,会对这些谐波有抑制和消除作用。
 
    根据目前电力谐波的主要来源情况,针对性地设计合理配置电抗率的无功补偿,基本原则如下:在建筑、医院等3次谐波较多场合可以选用P=12.5%的电抗系数;工业等5次、7次谐波为主的场合可以选用P=5.5%的电抗系数;电抗率为7%的LC回路是适合于非3次谐波场合的安全补偿。
 
    3.2 电容器的降容
 
    虽然电容器的容值是用法拉(F)或者微法(μF)表示,但是在应用中电容器的容量大多是以无功容量千乏(kvar)进行标称。在可抑制谐波的无功补偿中,无功补偿的容量是以千乏数进行计算的,但电容器的容量并不能用这个无功容量进行配置,而且考虑到在工作中电容器的耐压值,因此可抑制谐波的无功补偿在应用过程中会出现一个电容器降容的问题。
 
    考虑电网电压本身的波动以及由于电抗器和电容器串联后的电压抬高问题,电抗率为5.5%和7%的LC无功补偿电容器的耐压一般为480V,而电抗率为12.5%的补偿回路中电容器的耐压需达525V。在这样的情况下,电容器的选择可以根据工作点的补偿电流进行确定。
 
    以额定工作电压400V,额定补偿容量50kvar为例,假设选择电抗率为7%的LC无功补偿,则额定补偿电流即为■=72.2A;而在额定补偿电流的情况下,电容器的工作点应该在430.1V,以此可以设计出电容器在耐压为480V的条件下容量为66.8kvar。因此在选型时,需补偿50kvar无功容量的电抗率为7%的可抑制谐振的无功补偿中的电容器为66.8kVar/480V。
 
    3.3 动态过零投切
 
    在很多实际的无功补偿现场,需要准确地过零补偿并且具有快速的响应能力。目前的动态过零补偿大多是采用两个晶闸管反并联方式组成,不过驱动电路方面则各有不同,目前市场的产品大部分是采用光耦进行驱动,但是光耦的响应速度相对较慢而且驱动电流比较有限,因此可以选择脉冲变压器对可控硅模块进行驱动,这样不仅保证了驱动的过零可靠性,而且可以满足可控硅的驱动要求,使可控硅模块实现准确可靠的过零投切,投切响应时间不超过半个周期(10ms)。
 
    4 模块化的无功补偿及谐波治理
 
    江苏斯菲尔电气股份有限公司根据目前电力应用中的典型谐波,充分考虑现场应用情况,研制开发了动态的无功补偿及谐波治理模块化产品。
 
    通过合理的结构设计和专业的散热设计将滤波电抗器和电容器组合成模块形式(如图3所示)。模块主要由滤波电抗器、滤波补偿电容器、可控硅投切单元、刀熔开关及熔芯、连接母排、导线、端子等元器件组成。由于模块已经完成连接与测试,只需放入柜体安装即可。
 
    模块采用标准化模块,可自由按需拼装,并根据容量具有单路模块与双路模块,适用于多种型式的柜体;采用主母排结构,安全可靠,连接方便;可根据需要进行电抗系数的选择,选型也非常方便,对内部所有部件已经进行了降容等参数设计,只需选择额定补偿容量即可。
 
    在中国石化西北石油局S9气站项目中,某一变压器容量为800kVA的采油机场合,有比较丰富的5次7次谐波(基本不含3次谐波),同时采油机在运行中功率因数变化是非常大的,因此需要采用动态可控硅投切以实现快速的无功补偿,该工程选用了江苏斯菲尔电气股份有限公司的LBKT50×2-P5.5/400可控硅动态投切模块3套,实现了300kvar的动态过零无功补偿及谐波治理功能。
 
    5 结束语
 
    本文介绍了低压动态无功补偿及谐波治理的原理及对应的电抗率的选取、电容器的降容问题以及动态过零投切问题,并针对性地给出了应用实例。
 
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