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供配电系统无功补偿方案的选择
作者：刘火红，陆吉利等 浏览量：82
0引言
韶钢新一钢供电系统负荷存在多样性，无功功率消耗大，自然功率因数低，谐波大。因此解决好电网的无功功率补偿和谐波治理问题，对于提高炼钢供配电系统电能质量、保证设备安全运行、节能降耗、充分利用电气设备的出力等具有重要的意义。
1无功补偿
1.1 无功补偿作用
在炼钢供配电系统中，电动机、变压器等设备是无功功率消耗大户，电力线路、变频器、气体放电电灯、电焊机、空调及其它大多数设备也都是无功功率消耗户。如果所需要的无功功率由外部供电网络经过长距离传送，通常不合理也不可能。如果这些所需要的无功功率不能及时得到补偿，对炼钢供电系统电能质量就会造成严重影响。无功功率补偿作用有：
(1)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。
(2)提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减小功率损耗。
(3)减少线路损失，提高电网的有功传输能力。
(4)降低电网的功率损耗，提高变压器的输出功率及运行经济效益。
(5)降低设备发热，延长设备寿命，改善设备的利用率。
(6)高水平平衡三相的有功功率和无功功率。
1.2 无功补偿方法及原则
配电网中常用的无功补偿方式包括：在高低压配电线路中分散安装并联电容器组；在配电变压器低压侧和车间配电屏间安装并联电容器以及在单台用电设备附近安装并联电容器(就地补偿)等。目前，常采用的无功补偿方式有就地无功补偿、分散无功补偿和集中无功补偿。就地无功补偿采用电容器直接装于用电设备附近，与其供电回路相并联，常用于低压网络；分散无功补偿常采用高压电容器分组安装于电网的10kV和6kV配电线路的杆架上、公用配电变压器的低压侧、用户各车间的配电母线上，达到提高电网的功率因数、降低供电线路的电流、减少线损的目的；集中无功补偿采用变电站或高压供电电力用户降压变电站母线上的高压电容器组，也包括集中装设于电力用户总配电高低压母线上的电容器组，其优点是有利于控制电压水平，且易于实现自动投切，利用率高，维护方便，能减少配电网、用户变压器及专供线路的无功负荷和电能损耗，但是不能减少电力用户内部各条配电线路的无功负荷和电能损耗。
根据P＝Scosφ，当功率因数cosφ＝1时，有功功率P等于变压器的视在功率S，而当功率因数为0.6～0.7时，如不进行补偿，供电变压器的效率就很难提高，如1000kVA的变压器仅能带600~700kW的有功功率。而采用无功自动补偿，功率因数可控制在0.95～0.98，增容效果非常显著。在380V／220V低压网提倡采用分散自动无功补偿方式[1]。
无功补偿的原则：分散补偿与集中补偿相结合，以分散为主。
2无功补偿方案的选择
2.1 LF炉35kV供配电系统
2.1.1 LF炉负荷
LF炉在冶炼过程会产生电压波动，将影响LF炉的输入功，使冶炼时间和成本增加；LF炉电极电弧为非线性，将导致2～7次高次谐波的产生，影响供电系统的电能质量；LF炉的自然功率因数低，在整个冶炼过程中为0.7左右，使电网电能质量不能满足电力部门的相关规定；LF炉三相负荷存在不平衡，将产生一定的负序电流，使电力系统中以负序电流为起动元件的许多保护及自动装置产生误动作。
2.1.2 方案选择
由于LF炉为冲击性、非线性负荷，自然功率因数低，应选用能快速跟踪电力系统无功功率变化，实现无功功率动态补偿的SVC装置。SVC具有3个主要功能：抑制电压波动、改善功率因数、吸收电网谐波。成套装置一般由可调电抗（通过可控硅单元或硅阀调节）、FC无源滤波、以及控制和保护系统组成。根据可调电抗器的调节方式及工作原理不同，又可分为TCR型（晶闸管控制的电抗器）、TCT型（晶闸管控制的变压器）、MCR型（磁控电抗器）3种类型。 MCR型SVC无功补偿装置在损耗、噪音、可靠性、后期维护等指标上具有优势。韶钢第三钢厂的3座LF炉（2套MCR 型SVC无功补偿装置）和新一钢的2座LF炉（2套MCR）均由四总降供电，正常工作时，第三钢厂的一套MCR和新一钢厂的一套MCR都由四总降的一段35kV母线供电。这样，正常工作时一段母线上有2套MCR并列运行；最严重的情况是当受电电源故障或检修时，一段母线上可能有3套或4套MCR并列运行。这些情况都可能引发并联、串联谐振，也可能会造成谐波放大，影响到四总降的安全运行。为确保5座LF炉叠加后的谐波电压、谐波电流、电压闪变、电压波动等相关电能指标能满足要求，同时从设备的可靠性、备件的通用性等方面综合考虑，新一钢2座LF炉选用MCR型SVC无功补偿装置。
2.2炼钢吊车供配电系统
2.2.1负荷分析
吊车是频繁起动、冲击性较大的设备，特别是炼钢厂，铸造吊车吨位大，电动机容量大，起动冲击电流为额定电流的数倍，对电网冲击很大，自然功率因数很低(0.5～0.7)。另一方面，天车都由变频器、直流调压调速装置和PLC控制，对供电电源的品质如供电电压、电源的持续性、干扰、高次谐波等要求较高。若不进行无功补偿，则可能造成变频器及直流调压调速装置、PLC模块的故障较多，造成变频器损坏、PLC电源模块烧毁、调压装置失灵等现象，天车的正常运行将受到影响。
吊车补偿的无功功率补偿量计算公式为：
Qc=aP30qc
式中，Qc为需要补偿的无功容量； a为平均负荷系数取0.7-0.8； P30为总计算负荷kW；qc为补偿率kvar／kW。
2.2.2 无功补偿方案选择
(1)选用就地补偿方案，就地平衡无功负载，消除无功功率对供电系统的影响，使整个供配电设施都以较小电流供电，从而损耗和减少供电线路压降。建议选用TSC(晶闸管投切电容器)动态无功补偿装置，动态跟随负载无功功率变化。武钢第一炼钢厂、杭钢炼钢厂就是在吊车供配电系统中采用了TSC动态无功补偿装置，提高了功率因数，取得了很好的经济效益。
(2) 天车滑触线电源受电点要合理分布。由于炼钢厂天车吨位很大，供电线路及天车运行的距离很长，受电点的电压一般都在额定380V以下，所以在设计阶段就要处理好滑触线电压降问题，使其不超过允许值(包括供电线路在内，到滑触线末的压降不得超过5％)。
2.3 炼钢照明供配电系统
2.3.1负荷分析
光源所采用的镇流器大多为电感线圈式结构，它在交流供电电路中呈现电感性，是无功功率消耗户，功率因数低（如荧光灯的功率因数一般为0.33～0.6、高压汞灯为0.4～0.65、高压钠灯为0.42～0.6、金属卤化物灯为0.4～0.64），从而造成照明供电系统功率因数下降，影响电源设备潜力的发挥，增大线路损耗。
据有关资料介绍，对安装100盏250W高压钠灯的线路进行电容器无功补偿，将功率因数由0.44提高至0.8，结果供电电流由补偿前的300 A降至141 A，工作电流下降了大约一半，表明该照明系统通过无功补偿为供电电源系统腾出了一半的容量空间。另外，照明系统供电线路上减少了一百多安培电流，必将大幅减少线路上的电压损耗和功率损耗，也降低了线缆的温升。
2.3.2 无功补偿方案选择
照明供配电系统无功补偿方式主要有高压集中式、低压集中式 、低压局部集中式和单灯式等。其中单灯式补偿是最为优越的方案，是把补偿电容器直接并接在每盏灯的供电电路上，即使是在不同类型、不同规格的灯上也能够独立而准确地完成预期的无功补偿目标。该方案适用于任何照明场所，补偿利用率高。它不仅可以减少各灯支路上的无功功率，同时也可以降低照明供电系统低压线路上的电压损耗、电能损耗及线路工作电流。可以选用截面面积较小的导线，相关配电电器的电流参数也可适当地减小。电容器的电容量计算公式：
Q= P(tgφ1一tgφ2)／(2πfU2 )
式中，Q为补偿电容器的电容量；P为电光源的有功功率；φ1为补偿之前电压与电流的相位差；φ2为补偿之后电压与电流的相位差；f为照明供电电源的工作频率；
U为照明供电电源工作电压。
根据以上分析，炼钢照明供配电系统无功补偿选择单灯式补偿方案。在选择灯具时要选择自带补偿电容器的节能灯具。
2.4 其它低压负荷无功补偿方案选择
转炉本体、连铸本体及水处理系统的负荷主要是变压器、电动机。转炉及连铸本体电机虽然起动较频繁，但都是小电机，对电网冲击较小；水处理系统电机较大，但起动很少，而且已规定110kW及以上电机采用软起动，减小了电机起动时对电网的冲击。转炉及连铸本体电机采用变频器驱动，功率因数较低，会产生一定量的谐波。无功补偿最好也采用就地补偿的方法，但从负荷情况及投资角度出发，选择在炼钢6kV供配电系统中统一补偿，既达到无功补偿的目的，又减少投资。
2.5 炼钢6kV供配电系统集中无功补偿方案选择
炼钢6kV供配电系统集中无功补偿，是对炼钢总体负荷无功的集中补偿。吊车冲击性负荷已采用就地动态无功补偿，照明负荷已选择单灯式补偿，转炉本体、连铸本体及水处理系统没有分散就地无功补偿，选择在炼钢6kV供配电系统集中无功补偿。为了使无功补偿装置能很好地跟随无功负荷的变化，避免无功过补、欠补造成电压过高、过低现象，炼钢6kV供配电系统集中无功补偿采用MCR型SVC动态无功补偿装置，既能在低负荷水平时吸收一定的无功功率，又可以在高负荷水平下发出足够的无功功率，达到控制电压水平、节能降耗的目的。
3结语
照明负荷选择单灯式补偿方案；吊车负荷无功补偿采用就地分散补偿方案，选择在吊车负荷中心安装TSC动态无功补偿装置；炼钢LF炉35kV的无功补偿选择MCR型SVC动态无功补偿装置；其它采用集中补偿方案，在炼钢6kV供配电系统中进行集中无功补偿，选择价格较低的MCR型SVC动态无功补偿装置。
进行无功补偿的同时，也应进行谐波治理。无功补偿装置往往都带有谐波滤波功能，不仅滤除装置本体产生的谐波，也滤除供配电系统中的谐波，在设计选型时要全面考虑，达到提高电能质量、节能降耗、提高设备出力的目的。
收稿日期：2013-10-15
参考文献
[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术与装备[M].北京：中国电力出版社，2006
[2]栗时平，刘桂英编著．静止无功功率补偿技术[M].北京：中国电力出版社，2006