摘要：通過分析某石化企業(yè)新上電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)慕?jīng)濟(jì)性，表明電容器無功補(bǔ)償裝置可調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)線下網(wǎng)功率因數(shù)，達(dá)到很好功率因數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)挖掘發(fā)電設(shè)備潛力，做到節(jié)能降耗，充分提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：無功功率補(bǔ)償；功率因數(shù)；經(jīng)濟(jì)效益
該企業(yè)動(dòng)力生產(chǎn)管理部新上電容器補(bǔ)償裝置投入前，35KV系統(tǒng)無功來源有兩個(gè)，一是取自吉利變電站110KV，即總進(jìn)線系統(tǒng)無功，二是靠三臺(tái)發(fā)電機(jī)組多發(fā)無功功率。目前，35kV系統(tǒng)總無功負(fù)荷約27MVAR，當(dāng)吉利變電站出現(xiàn)故障或動(dòng)力部的發(fā)電機(jī)事故解列時(shí)都會(huì)導(dǎo)致35kV系統(tǒng)無功嚴(yán)重缺乏，末端壓降大，系統(tǒng)損耗大，無法正常啟動(dòng)大型電動(dòng)設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)造成較大影響。
動(dòng)力部作為企業(yè)供電的總站，35KV主網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)和運(yùn)行日益受到重視。降低網(wǎng)損，提高電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電效率和電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是我廠面臨的實(shí)際問題，也是我廠減少電力能耗的主要方向之一。因此，在35KV系統(tǒng)中根據(jù)實(shí)際情況采用無功補(bǔ)償裝置，提高功率因數(shù)，降低網(wǎng)損，改善電能質(zhì)量和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性具有重要意義。
1無功補(bǔ)償概述
電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償裝置大多是針對(duì)某個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無功補(bǔ)償。這是因?yàn)闊o功的產(chǎn)生不消耗電能，但是無功功率沿電力網(wǎng)傳送卻能引起電壓損耗和功率損耗。傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償裝置主要為同步調(diào)相機(jī)和并聯(lián)電容器。這兩者相比，并聯(lián)電容器是無功補(bǔ)償領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的補(bǔ)償裝置，它具有補(bǔ)償簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、靈活方便和應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，而電容補(bǔ)償主要補(bǔ)償固定的無功，如果采用電容分組投切能夠更好地適應(yīng)負(fù)荷無功的動(dòng)態(tài)變化，這是一種有級(jí)無功調(diào)節(jié)。
因此，通過電容器補(bǔ)償無功功率，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行電壓，改善用戶處的電壓質(zhì)量，改變電力網(wǎng)的無功潮流分布，減少網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗和電壓損耗
2 電容器補(bǔ)償原理及意義
該企業(yè)的用電負(fù)荷多為電力變壓器、輸電線路電感和下級(jí)裝置的各電壓等級(jí)電動(dòng)機(jī)，這些大部分屬于感性負(fù)載，在運(yùn)行過程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。感性負(fù)荷造成電網(wǎng)功率因數(shù)低，增加電網(wǎng)能耗，影響發(fā)電機(jī)的輸出有功功率及影響變電、輸電的供電能力，還增加了輸電線路的電壓降等。所以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無功功率補(bǔ)償是該企業(yè)的重要工作。
該企業(yè)電力系統(tǒng)中無功電源主要來自3臺(tái)發(fā)電機(jī)、110KV外網(wǎng)系統(tǒng)，單靠發(fā)電機(jī)、外線路是不能滿足系統(tǒng)對(duì)無功電力的需求。一是外電網(wǎng)響應(yīng)慢，二是動(dòng)力部3臺(tái)發(fā)電機(jī)為保證110KV線路功率因數(shù)，都運(yùn)行在高無功功率狀態(tài)，事故情況下補(bǔ)償裕度非常有限，因此通過新上電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償是很好的選擇。
根據(jù)電路原理，電流在電感元件中作功時(shí)，電流滯后于電壓90o。而電流在電容元件中作功時(shí)，電壓滯后于電流90o。在同一電路中，電感電流與電容電流方向相反，互差180o，兩者的電流相互抵消，使電流的矢量與電壓矢量之間的夾角縮小。感性負(fù)荷的有功電流IH與電壓U同相位，假設(shè)電感和電容的合成電流為I1，無功功率為Q1，功率因數(shù)cosφ1，各相量的相位關(guān)系如下圖。
圖1 感性負(fù)荷并聯(lián)電容器前后各向量相位圖
由圖1可得，在電感兩端并聯(lián)電容器后，電壓滯后于容性無功電流IC為90°(其無功功率為QC)，總無功電流I'L=IL+IC。因?yàn)镮L與IC相位相反，故IL減小到I'L，而IH與IL的合成電流I2小于電容器補(bǔ)償前I1的值，功率因數(shù)也由cosφ1提高到cosφ2，可得電容器補(bǔ)償后的無功功率為Q2=Q1-QC。
3 電容器無功補(bǔ)償效益分析
為了優(yōu)化熱電站35kV系統(tǒng)無功，使系統(tǒng)功率因數(shù)不低于0.9，確保系統(tǒng)電壓質(zhì)量。動(dòng)力部在2011年10月新上電容器補(bǔ)償裝置24000kvar，對(duì)全廠35KV系統(tǒng)進(jìn)行無功功率集中補(bǔ)償，將高壓電容器組集中裝在35KV高壓開關(guān)站內(nèi)。補(bǔ)償電容器共分為四組，每組60kvar，分別安裝在35KVI段和II段。本文通過投入電容器補(bǔ)償裝置前后四個(gè)月數(shù)據(jù)的研究，對(duì)無功補(bǔ)償?shù)男б鎻囊韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行分析。
3.1提高系統(tǒng)功率因數(shù)
自2011年12月7日投入三組電容器補(bǔ)償裝置后，動(dòng)力部熱電系統(tǒng)總進(jìn)線功率因數(shù)提高了1.3個(gè)百分點(diǎn)。功率因數(shù)提高后，電費(fèi)開支大幅減少。補(bǔ)償前，由于熱電系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)不到電業(yè)局的要求(電業(yè)局要求0.9以上，若低于0.9加收費(fèi)用，若高于0.9，將按高出百分點(diǎn)減免電費(fèi))，經(jīng)常被罰款。動(dòng)力部安裝電容器補(bǔ)償裝置后，不但沒有罰款，每月還獲得相應(yīng)額度的獎(jiǎng)勵(lì)。
根據(jù)電力系統(tǒng)供電方式的無功經(jīng)濟(jì)量計(jì)算方法，每安裝1000kvar并聯(lián)電容器裝置，當(dāng)處在功率因數(shù)為0.9時(shí)，無功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量為0.062千瓦/千乏，則每小時(shí)可節(jié)電62度，用電容器總?cè)萘繛?4000kvar折算，節(jié)電為1500度，全年按實(shí)際運(yùn)行8700小時(shí)計(jì)算，可節(jié)電130萬度，每度電成本按0.53元計(jì)算，全年節(jié)電價(jià)值為70萬元。
3.2降低線路損耗
電流下降表明在系統(tǒng)的線路電壓損失相應(yīng)減小，從而節(jié)省了能耗，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。當(dāng)電流通過電阻為R的線路時(shí)，其功率損失為：
△P=3I2R×10-3(kW)
或=P2+Q2U2/R×10-3（kW）
式中：I—流過線路的電流，A；Q—線路傳輸無功功率，kVA；
cosφ—線路負(fù)荷的功率因數(shù)。
由于有功損耗與cos2φ成反比，所以提高功率因數(shù)cosφ可以大大降低損失。
3.3提高變壓器利用率
動(dòng)力部高壓變壓器一共6臺(tái)，2臺(tái)系統(tǒng)側(cè)高壓變110KV/35KV，3臺(tái)發(fā)電機(jī)-變壓6KV/35KV，1臺(tái)高備變110KV/35KV，投入電容器無功補(bǔ)償后，系統(tǒng)功率因數(shù)的提高，不但減少了線路損耗，還使變壓器功率因數(shù)得以提高，大大降低了變壓器的銅損耗。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，35kV系統(tǒng)實(shí)施功率因數(shù)補(bǔ)償措施后，變壓器平均功率因數(shù)從0.7提高到0.9附近，使得有功損耗降低20%~40%，每年減少系統(tǒng)變線損耗160萬元。但由于發(fā)電機(jī)側(cè)變壓器工作于高負(fù)荷狀態(tài)下，當(dāng)停機(jī)后，由于熱脹冷縮，發(fā)電機(jī)出口的絕緣管型母線與1#變壓器和2#變壓器連接處出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。目前動(dòng)力部技術(shù)組正在尋找解決方案。
3.4挖掘發(fā)電設(shè)備潛力
3.4.1提高發(fā)電機(jī)功率因數(shù)
在發(fā)電機(jī)容量不變的情況下，提高功率因數(shù)就可少發(fā)無功，多發(fā)有功。多發(fā)的有功功率△P計(jì)算如式（1）：△P=P1-P=S(cosφ1-cosφ)(1)
其中，P為功率因數(shù)提高前的有功功率；P1為功率因數(shù)提高后的有功功率；cosφ、cosφ1為電容器補(bǔ)償前、后的功率因數(shù)；S為用電設(shè)備的額定容量。
該企業(yè)電力系統(tǒng)采取無功補(bǔ)償后，動(dòng)力部3臺(tái)發(fā)電機(jī)就可少發(fā)無功，多發(fā)有功，實(shí)現(xiàn)銘牌出力，而不需要將無功功率設(shè)置的過高。發(fā)電機(jī)在保證供汽情況下，動(dòng)力部1#發(fā)電機(jī)、3#發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)均達(dá)到0.92，兩臺(tái)機(jī)的有功功率根據(jù)公司實(shí)際負(fù)荷要求在4.5~5萬之間長(zhǎng)周期、正常運(yùn)行，現(xiàn)階段2臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)電量超過2011年的3臺(tái)機(jī)發(fā)電量。電容器補(bǔ)償后一旦出現(xiàn)一臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷，另外兩臺(tái)機(jī)組也能快速的響應(yīng)，大幅度的提高無功功率，維持系統(tǒng)電壓，在外電網(wǎng)出現(xiàn)短路的情況下，也能迅速補(bǔ)出無功缺口，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。
功率因數(shù)提高后，發(fā)電設(shè)備出力得以提升，消除了以往通過發(fā)電機(jī)組提升系統(tǒng)無功的瓶頸，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)長(zhǎng)期低于額定功率因數(shù)0.8的情況得以解決，長(zhǎng)時(shí)間低功率因數(shù)運(yùn)行致使發(fā)電機(jī)壽命縮短的隱患也得以消除。
3.4.2 減少無功功率
系統(tǒng)需要的有功不變，若需要的無功減少，則需要投入的用電設(shè)備容量S1也將相應(yīng)減少，減少量△S如式（2）：
△S=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)(2)
減少供電設(shè)備容量占原容量S的百分比為
△S/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(3)
電容器投入前，動(dòng)力生產(chǎn)管理部運(yùn)行發(fā)電機(jī)的總無功發(fā)電量約為6.8萬kW，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)平均為0.72，電容器投入后，運(yùn)行發(fā)電機(jī)的總無功發(fā)電量約為4.6萬kW，發(fā)電機(jī)功率因數(shù)平均為0.95。由電容器投入前后發(fā)電機(jī)的總無功發(fā)電量可以看出，無功減少量達(dá)到2.2萬kW，電容器補(bǔ)償效果比較顯著。由式（3）也可得，△S/S為24.5%。
4安科瑞AZC/AZCL智能集成式電容器介紹
4.1產(chǎn)品概述
AZC/AZCL系列智能電容器是應(yīng)用于0.4kV、50Hz低壓配電中用于節(jié)省能源、降低線損、提高功率因數(shù)和電能質(zhì)量的新一代無功補(bǔ)償設(shè)備。它由智能測(cè)控單元，晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，線路保護(hù)單元，兩臺(tái)共補(bǔ)或一臺(tái)分補(bǔ)低壓電力電容器構(gòu)成。可替代常規(guī)由熔絲、復(fù)合開關(guān)或機(jī)械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內(nèi)和柜面由導(dǎo)線連接而組成的自動(dòng)無功補(bǔ)償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高的特點(diǎn)，適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)母咭蟆?/span>
AZC/AZCL系列智能電容器采用定式LCD液晶顯示器，可顯示三相母線電壓、三相母線電流、三相功率因數(shù)、頻率、電容器路數(shù)及投切狀態(tài)、有功功率、無功功率、諧波電壓總畸變率、電容器溫度等。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路，自動(dòng)尋找投入（切除）點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過零投切，具有過壓保護(hù)、缺相保護(hù)、過諧保護(hù)、過溫保護(hù)等保護(hù)功能。
4.2產(chǎn)品選型
AZC系列智能電容器選型：
4.3產(chǎn)品實(shí)物展示
5結(jié)束語
通過上述分析，采用并聯(lián)電容器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)男б媸遣谎远鞯?。單從費(fèi)用上說，動(dòng)力部新上電容器組投資近兩百萬元，預(yù)計(jì)不到五年就能收回全部投資，如果考慮到電力部門獎(jiǎng)勵(lì)的可能，將會(huì)更短。通過對(duì)新上電容器組對(duì)無功負(fù)荷的較好補(bǔ)償,不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,而且可以降低網(wǎng)損,取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使電能質(zhì)量、系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合在一起，使我廠35KV主網(wǎng)電氣系統(tǒng)的潛能得以充分發(fā)揮。由此可見，這個(gè)項(xiàng)目對(duì)企業(yè)的挖潛提效工作是有益的。
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