李克鹏

（河南龙宇能源股份有限公司，河南 商丘476600）

0 引言

功率因数是电力系统的一个重要的技术数据，是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失及企业生产成本。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。功率因数低的根本原因是电感性负载的存在，电网中的电力负荷如电动机、变压器、电焊机等，大多属于电感性负荷。因此，在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将有助于提高功率因数，改善供电质量。

1 研究背景及存在问题

机电制修厂系河南能源集团永煤公司下属地面单位，电力系统经由35 k V辅助区变电站输出的10 k V线路给厂内部各车间、单位供电，厂区包括10 k V高压室、1＃箱式变电站、2＃箱式变电站、3＃低压室等变配电所。10 k V线路下面共带有7台低压 配 电 变 压 器 （10 k V／0.4 k V）：400 k VA 容 量 1 台、500 k VA容量2台、630 k VA容量3台、800 k VA容量1台，合计总装机容量为4 090 k VA。

目前，该厂月耗电量约为20万k W·h（无功电量约为14万kvar·h），平均每月功率因数约为0.78，较低的功率因数对机修厂供电系统造成以下影响：（1）偏低的功率因数，造成该厂每月受到供电局1万元左右的增电费罚款；（2）导致变压器、电机、电缆等设备的损耗增大，利用率变低；（3）引起系统电压下降，影响各种电气设备的正常工作；（4）造成变压器局部严重过热，损耗增加，输出减少，缩短使用寿命等问题。

2 高压动态无功补偿介绍

高压动态无功补偿，主要用来补偿电网中频繁波动的无功功率，抑制电网闪变和谐波，提高电网的功率因数，改善高压配电网的供电质量和使用效率，进而降低网络损耗，有利于延长输电线路的使用寿命。经过分析和论证，采用10 k V高压动态无功补偿装置可达到无功动态补偿，使功率因数达标（功率因数提高到0.95左右），避免供电公司力率电费罚款；抑制谐波，提高供电安全性，改善电能质量；提高设备（变压器、线路）利用率，通过补偿无功，使总供电电流下降；有效支撑负荷端电压，加强系统电压稳定性等目的。

3 10 kV高压动态无功补偿技术改造的实施

3.1 整体设计

根据该单位供电系统对无功补偿容量的技术要求、工程经验以及高压柜控制器显示相关动态数据（有功功率约500 k W，无功功率约800 kvar），同时考虑投资性价比因素。本研究决定在10 k V母线上安装一套许继电气公司生产的额定容量为1 350 kvar的高压动态无功补偿装置（TBB）。该装置每套自动补偿装置分为2组投切，每组投切容量分别为450 kvar、900 kvar，这样便可以产生3级投切容量，分别为450 kvar、900 kvar、1 350 kvar。并且能根据负荷变化的情况，通过一台无功补偿控制器检测电网功率因数，控制器根据取样的电流电压信号，给出控制信号，自动投切真空接触器，将电容组投入或退出运行。

3.2 TBBz10－1350（450＋900）AK型高压动态无功补偿装置构成及性能参数

3.2.1 设备构成

10 k V高压电容自动补偿装置至少由以下主要设备构成：控制器、隔离开关、三相干式铁芯串联电抗器（6%）、高压并联电容器、电容器保护专用熔断器、真空接触器、氧化锌避雷器、放电指示灯、放电线圈、铝母线、柜体及相应附件等。

3.2.2 性能参数

3.2.2.1 电容器

（1）过负荷能力及放电性能：1）电容器在1.1倍的额定电压下长期运行。2）电容器在1.3倍的额定电流下长期运行。3）当电容器组断开电源时，能将电容器端子上剩余电压在5～20 s内自2倍额定电压降至0.1倍额定电压或50 V以下。

（2）电容偏差：1）电容器允许的电容偏差为装置额定电容的0～＋10%。2）三相电容器的任何两线路之间，其电容和最大值与最小值之比不超过1.02。3）电容器组各串联段的最大与最小电容之比不超过1.02。

3.2.2.2 电抗器

（1）过负荷能力：1）过电压。电抗器能在工频加谐波电压峰值为 3 槡2 UM下运行。2）过电流。电抗器能在工频电流为1.35倍额定电流的最大工作电流下连续运行。电抗器能在五次谐波电流含量不大于35%，总电流有效值不大于1.2倍额定电流的情况下连续运行。3）铁芯式电抗器能承受25倍额定电流的最大短时电流的作用，不产生任何热损伤。

（2）电抗器允许偏差：1）在工频额定电流下电抗值数允许偏差0～＋15%。2）三相电抗器每相电抗值不超过三相平均值的±4%。

（3）电感偏差：在额定电流下，其电抗值的允许偏差为0～＋5%。

（4）声级：在额定电流下，三相或单相电抗器的声级水平不超过相关标准要求。

3.2.2.3 放电线圈（PT）

（1）在额定频率和额定电压下，放电线圈与对应的并联电容器相并接，当电容器断电以后，其端子间的电压在5 s后可由M降至30 V以下。

（2）放电线圈能承受 1 .58 槡2 UM电压下电容器储能放电的作用。

（3）准确级：在额定频率0.9～1.3倍额定电压和0～100%额定二次负荷（cosφ为0.8滞后）下，0.5级或1级产品分别满足比值差不超过±0.5%或±1%，相位差不超过±20′或±40′。

（4）短路承受能力：在额定电压下，能承受二次短路电流在1 s时间内所产生的热和机械力的作用而无损伤。

3.2.2.4 导体（GB50227—2008）

（1）单台电容器至母线或熔断器的连接线采用软导线，其长期允许电流不小于单台电容器额定电流的1.5倍。

（2）电容器套管相互之间和电容器套管至母线或熔断器的连接线，有一定的余量选择。

（3）并联电容器装置的所有连接导体，满足动稳定和热稳定的要求。

3.2.2.5 整机

（1）绝缘水平：装置的一次电路的各相之间及相对地之间，二次电路与地之间能承受相关标准要求耐受电压；工频耐受电压施加时间为1 min。

（2）耐受短路电流能力：主回路中的电气设备、连接线及机械机构能耐受短路电流和电容器极间短路放电电流的作用而不产生热和机械的损伤及明显的变形；装置的额定耐受电流值为20 k A。

（3）过负荷能力：1）稳态过电流。装置能在方均根值不超过1.1×1.30In的电流下连续运行。该电流是有1.1Un、电容值偏差及高次谐波综合作用的结果。2）稳态过电压。装置的连续运行电压为1.05Un，且能在相关规定的稳态电压下运行相应的时间。3）涌流。单台电容器及保护用的熔断器所能承受的涌流分别满足相应标准GB3983.2—89及DL442—91的要求；装置能将投入电容器组时产生的涌流限制在电容器组额定电流的20倍以下。

（4）操作过电压和过电流：用不重击穿的开关投切电容器时可能发生第一个峰值不大于 2 槡2倍施加电压，持续时间不大于1／2的周波过渡过电压。响应的过渡过电流的峰值达到100In，在这种情况下每年允许操作1 000次。

（5）耐受短路放电能力：电容器单元能承受在允许的运行电压下由于外部故障引起的短路放电。

（6）局部放电性能：电容器单元的局部放电性能能达到局部放电试验的要求。

（7）外观及防腐蚀层：电容器单元的外观符合产品图样的要求。其外露的金属件有良好的防腐蚀层。

（8）密封性能：电容器单元的密封性能，足以保证在其各个部分均达到电介质允许最高运行温度后至少经历2 h而不出现渗漏的要求。

3.2.2.6 布置与安装

（1）装置的布置与安装符合GB50227—2008的有关规定要求。

（2）装置满足平面布置图要求和各种电气距离的要求。

3.2.2.7 安全要求

放电线圈直接并接于电容器组的两端；在出厂前，电容器已全部可靠接地。

3.2.2.8 温升

母线之间连接处及主电路各连接处的温升不超过50 K，各电器设备的温升不超过各自的规定。

3.3 设备主接线图

设备主接线图如图1所示。

图1 设备主接线图

该设备具有动态快速跟随负荷变化的特性，能有效提高电网的电能质量、功率因数并节约电能，同时具有极高的可靠性，只需要定期进行简单的常规检查即可确保设备长期稳定运行，维护工作量极小，维护难度小，维护成本极低。

4 结语

通过在该厂10 k V母线上加装一套TBB型无功自动补偿装置后，功率因数可达到0.95左右，经测算每年可节省电费支出约14万元，可提升主变设备利用率33%。同时，因为功率因数稳定在较高的水平，且电压也非常稳定，谐波量大大减少，三相不平衡也得到了很好的控制。所以，设备的运行效率得到保证，生产时间也大大缩短。由于不再有谐波的影响，也不再有电压剧烈变动的干扰，供电系统中的其他设备的工作寿命也会比原来相应地延长。

［1］李世林，左强.无功补偿装置标准应用手册［M］.中国标准出版社，2008