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      基于智能電容器的無功補償裝置節(jié)能效果研究與分析

      2020年07月22日 08:34:15人氣:2037來源:江蘇安科瑞電器制造有限公司

      摘 要:本文在對無功補償裝置的節(jié)能效果進行分析的基礎(chǔ)上,針對傳統(tǒng)低壓無功補償裝置使用中存在的問題,提出采用智能電容器來提高無功補償裝置性能,以應(yīng)對新能源發(fā)電和非線性負載接入電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波等問題。

      關(guān)鍵詞:無功補償;智能電容器;節(jié)能

       

      —、前言

      為了提高電能的使用效率,較大限度地利用發(fā)電機的容量,減少線損,推廣無功補償裝置是國家節(jié)能工程之一電機系統(tǒng)節(jié)能工程的重要內(nèi)容。*公司明確要求,“電力系統(tǒng)配置的無功補償裝置應(yīng)能保證在系統(tǒng)有功負荷高峰和負荷低谷運行方式下,分(電壓)層和分(供電)區(qū)的無功平衡。電力用戶應(yīng)根據(jù)其負荷特點,合理配置無功補償裝置,要求100KVA及以上高壓供電的電力用戶,在用戶高峰負荷時變壓器高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95。為了滿足上述要求,絕大多數(shù)工礦企業(yè)均配置了無功補償裝置對無功功率進行補償。

      二、無功補償裝置的配置與節(jié)能效果分析

      低壓配電網(wǎng)的無功補償以配電變壓器低壓側(cè)集中補償為主,高壓補償為輔。無功補償裝置容量可按變壓器大負載率為75%,負荷自然功率因數(shù)為0.85考慮,補償?shù)阶儔浩?/span>,負荷時其高壓側(cè)功率因數(shù)不低于0.95,或按照變壓器容量的20%?40%進行配置。

      設(shè)配電變壓器向負荷輸送的有功功率為定值P,電壓為額定電壓U,可導(dǎo)出線路的功率損耗與功率因數(shù)的關(guān)系如式1),其曲線如圖1所示。

      △P%=(1/cos2φ-1)**(1)

       

      從圖中不難看出,功率因數(shù)從1降低到0.95時,線路損耗將增加10.8%;功率因數(shù)從1降低到0.6時,線路損耗增加177.8%。反之,在線路中增加無功補償裝置,將使線路的損耗減少。如將功率因數(shù)從不同的值提高到0.95,可導(dǎo)出線路的功率損耗率與功率因數(shù)的關(guān)系如式2,其曲線如圖2所示。

      P%=[1-(cosφ/0.95) 2]**2

      由圖可以看出,功率因數(shù)從0.6上升到0.95,線路損耗將減少60.1%,功率因數(shù)從0.9上升到0.95時,線路損耗將減少10.2%。

      三、無功補償裝置存在的問題及智能電容器的應(yīng)用

      在實際供電系統(tǒng)中,由于受使用環(huán)境如工作電壓、溫度、海拔以及諧波的影響,無功補償裝置運行過程中往往存在一些問題:1、按系統(tǒng)容量要求計算、設(shè)計的補償裝置運行中岀現(xiàn)支路斷路器過載跳閘,甚至斷路器合不上閘的故障;2、補償裝置投運一段時間后,補償容量出現(xiàn)下降的問題;3、自愈式電容器自愈失效,內(nèi)部產(chǎn)生氣體而使電容器內(nèi)外壓差變大引起電容器爆炸;4、電容器的壽命縮短,達不到廠家說明書的要求。這些現(xiàn)象的出現(xiàn),原因是多方面的。除了電容器本身質(zhì)量等因素外,使用環(huán)節(jié)的問題也不容忽視。

      隨著技術(shù)的發(fā)展,無功補償裝置釆用的電容器用自愈式電容器代替油浸式紙介電容器。而智能電容器作為一種集成了現(xiàn)代測控、電力電子、網(wǎng)絡(luò)通訊、自動控制新型絕緣材料等先進技術(shù)的新產(chǎn)品將具有良好的推廣應(yīng)用前景,使基于智能電容器的新一代低壓無功補償設(shè)備具有補償效果好,體積小,功耗低,現(xiàn)場接線簡單、使用靈活、維護方便、使用壽命長可靠性高、可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的特點。

      智能電容器釆用模塊化設(shè)計,其組成框圖如圖3所示:

      與傳統(tǒng)無功補償裝置比較,釆用智能電容器的無功補償裝置,具有如下特點:

      3.1由于智能電容器集成了保護、控制、通信功能模塊,因此智能電容器可單使用,多臺聯(lián)網(wǎng)使用就能實現(xiàn)無功補償容量的擴充??朔藗鹘y(tǒng)無功補償裝置由于補償控制器損壞則只能手動控制、個別電容器質(zhì)量問題引起整機停機等缺點。

      3.2自愈式電容器內(nèi)置溫度傳感器,可以及時發(fā)現(xiàn)電容器內(nèi)部可能出現(xiàn)的過熱問題,實現(xiàn)過溫報警、保護。據(jù)德國史泰拿公司的資料表明,金屬化膜的介電強度隨溫度升高而下降,85℃時介電強度降低至室溫下的77%?87%。此外,由于高原地區(qū)空氣密度下降,使電容器的散熱效果變差,過高的溫度將大大加快絕緣材料老化速度,降低其使用壽命。生產(chǎn)地與使用地的不同海拔造成電容器在高原地區(qū)使用時內(nèi)外壓差增加,易引起電容器出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。因此,電容器工作溫度的有效監(jiān)測及保護對延長其使用壽命的作用十分有效。

       

      3.3智能電容器內(nèi)投切開關(guān)模塊將不再以機械式接觸器作為投切電容器的手段,而是由晶閘管及保護電路、磁保持繼電器、過零觸發(fā)導(dǎo)通電路構(gòu)成,實現(xiàn)電容器“過零投切”,使電容器投切過程無涌流沖擊,無操作過電壓。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料,由于釆用過零投切,減少了過電壓對電容器的沖擊,電容器的使用壽命可延長2~3倍。

      3.4智能電容器具有過壓、欠壓、缺相、過流、諧波畸變率保護等功能,在故障發(fā)生時能自動退出運行,實現(xiàn)主動保護,在故障解除后,自動恢復(fù)工作,與僅靠熔絲保護(內(nèi)部保護)和斷路器保護相比其可靠性有質(zhì)的提升。例如研究認為,當(dāng)電容器的工作電壓超過額定電壓15%時,其壽命就可以縮短到運行于額定電壓時的35%左右。因此,嚴(yán)格限制電容器運行電壓,是保證其運行的重要措施。

      3.5在電容器的投切方式上:可釆用直接投切,循環(huán)投切和積分運算方法投切等多種方式,既保證補償效果,又減少投切次數(shù),避免不必要的投切。如果以無功功率為控制量,釆用無功潮流預(yù)測和延時多點采樣技術(shù),可確保投切無振蕩。

      四、諧波對無功補償裝置的影響及對策

      由于風(fēng)電機組、光伏電站等新能源電源以及各種非線性負載的接入,諧波對電網(wǎng)供電質(zhì)量的影響日益突出。僅就諧波來說,當(dāng)系統(tǒng)中諧波總畸變率THDV≤5%時,系統(tǒng)中設(shè)備基本能維持運行,因此,國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定380V電壓等級的諧波總畸變率限值為5%氣當(dāng)5%<THDv10%時,敏感設(shè)備將出現(xiàn)故障;當(dāng)THDv>10%時,大部分設(shè)備將出現(xiàn)故障。因此,一方面,各國標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)諧波提出了限值,如美國標(biāo)準(zhǔn)IEEE519,英國工程導(dǎo)則G5/3及之后的G5/4,歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC1000-2-2等。另一方面,諧波的產(chǎn)生又不可避免。因此,應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)諧波的情況,研究諧波對電容器的影響(如溫升),以選擇合適的無功補償方案。

      在既有的系統(tǒng)中,可以采用FlukeF434/F433等三相電能質(zhì)量分析儀對供電網(wǎng)絡(luò)進行測試。這類設(shè)備一般可輸入4個電壓和電流(3相+中性點)值,測量電壓和電流真有效值和峰值、頻率、驟降和驟升、瞬態(tài)尖峰脈沖、功率和功耗、諧波、間諧波、閃變和三相不平衡度等分析高達50次的諧波,并根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)的要求測量和記錄諧波總畸變率(THD)。 數(shù)據(jù)文件還可傳輸?shù)?/span>PC利用FlukeView軟件做進一步的分析。根據(jù)分析的結(jié)果確定相應(yīng)的無功補償方案。

      在新設(shè)計的系統(tǒng)中,可根據(jù)產(chǎn)生諧波的設(shè)備總?cè)萘?/span>Sn與電源變壓器容量So的比值來確定無功補償方案。同時還要考慮由于為了提高無功補償裝置耐受諧波的能力而串聯(lián)電抗器引起的電容器運行電壓升高。可遵循的規(guī)則是:當(dāng)Sn≤10%So,可使用額定電壓等級的電容器構(gòu)成無功補償裝置當(dāng)lO%So<Sn<2O%So時,應(yīng)使用比電源額定電壓高10%電容器構(gòu)成無功補償裝置;當(dāng)Sn≥20%So時,應(yīng)使用電容器串聯(lián)電抗器方式,對諧波分量進行制止,使之在1.1倍的電容器額定電壓的情況下,諧波量不使電容器的電流大于其額定電流的1.3倍。此外,當(dāng)諧波存在時,在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用(諧振),危及電容器本身和其他電氣設(shè)備的,此時應(yīng)采取濾波、或限制電容器組的投入容量來避免。

      五、安科瑞智能電容器產(chǎn)品介紹

      AZC/AZCL系列智能電力電容補償裝置是應(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)量的新一代無功補償設(shè)備。它由智能測控單元,晶閘管復(fù)合開關(guān)電路,線路保護單元,兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構(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無功補償裝置。改變了傳統(tǒng)無功補償裝置體積龐大和笨重的結(jié)構(gòu)模式,具有補償效果更好,體積更小,功耗更低,價格更廉,節(jié)約成本更多,使用更加靈活,維護更方便,使用壽命更長,可靠性更高的特點,適應(yīng)了現(xiàn)代電網(wǎng)對無功補償?shù)母咭蟆?/span>

      1AZC系列智能電容器采用晶閘管復(fù)合開關(guān)投切,佳投切點,實現(xiàn)無弧通斷;完善的保護功能,集成在一個模塊內(nèi),安裝方便。

       

      AZC系列智能電容器選型:

      補償方式

      投切裝置類型

      容量(kvar)

      規(guī)格型號

      外形尺寸(mm)

      長度

      寬度

      高度

      三相共補 SP1

      復(fù)合開關(guān)投切

      20+20

      AZC-SP1/450-20+20

      340

      80

      300

      15+15

      AZC-SP1/450-15+15

      340

      80

      270

      20+10

      AZC-SP1/450-20+10

      340

      80

      270

      10+10

      AZC-SP1/450-10+10

      340

      80

      250

      10+5

      AZC-SP1/450-10+5

      340

      80

      250

      5+5

      AZC-SP1/450-5+5

      340

      80

      250

      2.5+2.5

      AZC-SP1/450-2.5+2.5

      340

      80

      250

      同步開關(guān)投切

      20+20

      AZC-SP1/450-20+20(J)

      340

      80

      300

      15+15

      AZC-SP1/450-15+15(J)

      340

      80

      270

      20+10

      AZC-SP1/450-20+10(J)

      340

      80

      270

      10+10

      AZC-SP1/450-10+10(J)

      340

      80

      250

      10+5

      AZC-SP1/450-10+5(J)

      340

      80

      250

      5+5

      AZC-SP1/450-5+5(J)

      340

      80

      250

      2.5+2.5

      AZC-SP1/450-2.5+2.5(J)

      340

      80

      250

      分相補償

      FP1

      復(fù)合開關(guān)投切

      30

      AZC-FP1/250-30

      340

      80

      330

      20

      AZC-FP1/250-20

      340

      80

      270

      15

      AZC-FP1/250-15

      340

      80

      270

      10

      AZC-FP1/250-10

      340

      80

      250

      7.5

      AZC-FP1/250-7.5

      340

      80

      250

      5

      AZC-FP1/250-5

      340

      80

      250

      同步開關(guān)投切

      30

      AZC-FP1/250-30(J)

      340

      80

      330

      20

      AZC-FP1/250-20(J)

      340

      80

      270

      15

      AZC-FP1/250-15(J)

      340

      80

      270

      10

      AZC-FP1/250-10(J)

      340

      80

      250

      7.5

      AZC-FP1/250-7.5(J)

      340

      80

      250

      5

      AZC-FP1/250-5(J)

      340

      80

      250

      (2)AZCL是在AZC基礎(chǔ)上,串接合適電抗率(7%適用于5/7次以上諧波環(huán)境,14%適用于3/5/7次以上諧波環(huán)境)的電抗,可有效解決諧波,避免諧振放大諧波,保護電容柜本身壽命。

       

      AZCL系列智能電容器選型:

      補償方式

      電抗器類別

      容量(kvar)

      規(guī)格型號

      外形尺寸(mm)

      長度

      寬度

      高度

      三相共補 SP1

      串7%電抗率電抗器,電抗材質(zhì)為鋁

      40

      AZCL-SP1/480-40-P7

      480

      200

      380

      35

      AZCL-SP1/480-35-P7

      480

      200

      380

      30

      AZCL-SP1/480-30-P7

      480

      200

      380

      25

      AZCL-SP1/480-25-P7

      480

      200

      380

      20

      AZCL-SP1/480-20-P7

      480

      200

      380

      15

      AZCL-SP1/480-15-P7

      480

      200

      380

      10

      AZCL-SP1/480-10-P7

      480

      200

      380

      5

      AZCL-SP1/480-5-P7

      480

      200

      380

      串14%電抗率電抗器電抗材質(zhì)為鋁

      40

      AZCL-SP1/525-40-P14

      480

      200

      380

      35

      AZCL-SP1/525-35-P14

      480

      200

      380

      30

      AZCL-SP1/525-30-P14

      480

      200

      380

      25

      AZCL-SP1/525-25-P14

      480

      200

      380

      20

      AZCL-SP1/525-20-P14

      480

      200

      380

      15

      AZCL-SP1/525-15-P14

      480

      200

      380

      10

      AZCL-SP1/525-10-P14

      480

      200

      380

      5

      AZCL-SP1/525-5-P14

      480

      200

      380

      分相補償

       FP1

      串7%電抗率電抗器,電抗材質(zhì)為鋁

      30

      AZCL-FP1/280-30-P7

      480

      200

      380

      25

      AZCL-FP1/280-25-P7

      480

      200

      380

      20

      AZCL-FP1/280-20-P7

      480

      200

      380

      15

      AZCL-FP1/280-15-P7

      480

      200

      380

      10

      AZCL-FP1/280-10-P7

      480

      200

      380

      5

      AZCL-FP1/280-5-P7

      480

      200

      380

      串14%電抗率電抗器電抗材質(zhì)為鋁

      30

      AZCL-FP1/300-30-P14

      480

      200

      380

      25

      AZCL-FP1/300-25-P14

      480

      200

      380

      20

      AZCL-FP1/300-20-P14

      480

      200

      380

      15

      AZCL-FP1/300-15-P14

      480

      200

      380

      10

      AZCL-FP1/300-10-P14

      480

      200

      380

      5

      AZCL-FP1/300-5-P14

      480

      200

      380

      三相共補 SP1

      串7%電抗率電抗器, 電抗材質(zhì)為銅

      40

      AZCL-SP1/480-40-P7

      480

      200

      380

      35

      AZCL-SP1/480-35-P7

      480

      200

      380

      30

      AZCL-SP1/480-30-P7

      480

      200

      380

      25

      AZCL-SP1/480-25-P7

      480

      200

      380

      20

      AZCL-SP1/480-20-P7

      480

      200

      380

      15

      AZCL-SP1/480-15-P7

      480

      200

      380

      10

      AZCL-SP1/480-10-P7

      480

      200

      380

      5

      AZCL-SP1/480-5-P7

      480

      200

      380

      串14%電抗率電抗器,電抗材質(zhì)為銅

      40

      AZCL-SP1/525-40-P14

      480

      200

      380

      35

      AZCL-SP1/525-35-P14

      480

      200

      380

      30

      AZCL-SP1/525-30-P14

      480

      200

      380

      25

      AZCL-SP1/525-25-P14

      480

      200

      380

      20

      AZCL-SP1/525-20-P14

      480

      200

      380

      15

      AZCL-SP1/525-15-P14

      480

      200

      380

      10

      AZCL-SP1/525-10-P14

      480

      200

      380

      5

      AZCL-SP1/525-5-P14

      480

      200

      380

      分相補償

       FP1

      串7%電抗率電抗器,電抗材質(zhì)為銅

      30

      AZCL-FP1/280-30-P7

      480

      200

      380

      25

      AZCL-FP1/280-25-P7

      480

      200

      380

      20

      AZCL-FP1/280-20-P7

      480

      200

      380

      15

      AZCL-FP1/280-15-P7

      480

      200

      380

      10

      AZCL-FP1/280-10-P7

      480

      200

      380

      5

      AZCL-FP1/280-5-P7

      480

      200

      380

      串14%電抗率電抗器,電抗材質(zhì)為銅

      30

      AZCL-FP1/300-30-P14

      480

      200

      380

      25

      AZCL-FP1/300-25-P14

      480

      200

      380

      20

      AZCL-FP1/300-20-P14

      480

      200

      380

      15

      AZCL-FP1/300-15-P14

      480

      200

      380

      10

      AZCL-FP1/300-10-P14

      480

      200

      380

      5

      AZCL-FP1/300-5-P14

      480

      200

      380

      上述兩種智能電容器采用LCD液晶顯示器,可實時顯示三相母線電壓、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、電容器溫度等電參量。通過內(nèi)部晶閘管復(fù)合開關(guān)電路,自動尋找較佳投入(切除)點,實現(xiàn)無弧通斷;保證過零投切,無涌流、觸點不燒結(jié)、微能耗、無諧波;同時具有抗干擾、防雷擊和電源缺相、空載跳閘的保護功能,特別適用于無功補償時切換電容器,不需加裝散熱器。

      六、結(jié)束語

      有效且較大限度的利用能源是有價值的資源。無功補償裝置的節(jié)電效果主要是提高電能的使用效率。為了適應(yīng)各種新能源發(fā)電設(shè)備接入電網(wǎng)的要求,無功補償裝置也面臨新的挑戰(zhàn)。提高其智能化水平無疑是一種有效的途徑。

       

      【參考文獻】

      • 謝國政,張恒,宋露.基于智能電容器的無功補償裝置研究[J].中國學(xué)術(shù)期刊1994-2020
      • *公司電力系統(tǒng)無功補償配置技術(shù)原則.北京:國家淡忘公司,2004
      • 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2019.11
      • 安科瑞電能質(zhì)量監(jiān)測與治理選型手冊.2019.11
      全年征稿/資訊合作 聯(lián)系郵箱:1271141964@qq.com

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