某石化企業(yè)新上電力電容器進行無功補償?shù)男б娣治?/h1>
2021-01-19
[1329]
安科瑞 鮑靜君
摘要：：通過分析某石化企業(yè)新上電容器進行無功補償?shù)慕洕?，表明電容器無功補償裝置可調整系統(tǒng)進線下網功率因數(shù)，達到很好功率因數(shù)，進而實現(xiàn)挖掘發(fā)電設備潛力，做到節(jié)能降耗，充分提高企業(yè)的經濟效益。
關鍵詞：無功功率補償；功率因數(shù)；經濟效益
該企業(yè)動力生產管理部新上電容器補償裝置投入前，35KV系統(tǒng)無功來源有兩個，一是取自吉利變電站110KV，即總進線系統(tǒng)無功，二是靠三臺發(fā)電機組多發(fā)無功功率。目前，35kV系統(tǒng)總無功負荷約27MVAR，當吉利變電站出現(xiàn)故障或動力部的發(fā)電機事故解列時都會導致35kV系統(tǒng)無功嚴重缺乏，末端壓降大，系統(tǒng)損耗大，無法正常啟動大型電動設備，對生產造成較大影響。
動力部作為企業(yè)供電的總站，35KV主網系統(tǒng)的經濟和運行日益受到重視。降低網損，提高電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電效率和電力系統(tǒng)運行的經濟性是我廠面臨的實際問題，也是我廠減少電力能耗的主要方向之一。因此，在35KV系統(tǒng)中根據實際情況采用無功補償裝置，提高功率因數(shù)，降低網損，提高電能質量和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性具有重要意義。
1無功補償概述
電力系統(tǒng)無功補償裝置大多是針對某個節(jié)點進行無功補償。這是因為無功的產生不消耗電能，但是無功功率沿電力網傳送卻能引起電壓損耗和功率損耗。傳統(tǒng)的無功補償裝置主要為同步調相機和并聯(lián)電容器。這兩者相比，并聯(lián)電容器是無功補償領域中應用廣泛的補償裝置，它具有補償簡單經濟、靈活方便和應用范圍廣等優(yōu)點，而電容補償主要補償固定的無功，如果采用電容分組投切能夠更好地適應負荷無功的動態(tài)變化，這是一種有級無功調節(jié)。
因此，通過電容器補償無功功率，可以提高系統(tǒng)運行電壓，提高用戶處的電壓質量，改變電力網的無功潮流分布，減少網絡中的功率損耗和電壓損耗
2 電容器補償原理及意義
該企業(yè)的用電負荷多為電力變壓器、輸電線路電感和下級裝置的各電壓等級電動機，這些大部分屬于感性負載，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。感性負荷造成電網功率因數(shù)低，增加電網能耗，影響發(fā)電機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。所以對電網進行無功功率補償是該企業(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臺發(fā)電機、110KV外網系統(tǒng)，單靠發(fā)電機、外線路是不能滿足系統(tǒng)對無功電力的需求。一是外電網響應慢，二是動力部3臺發(fā)電機為保證110KV線路功率因數(shù)，都運行在高無功功率狀態(tài)，事故情況下補償裕度非常有限，因此通過新上電容器組進行無功補償是很好的選擇。
根據電路原理，電流在電感元件中作功時，電流滯后于電壓90o。而電流在電容元件中作功時，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。感性負荷的有功電流IH與電壓U同相位，假設電感和電容的合成電流為I1，無功功率為Q1，功率因數(shù)cosφ1，各相量的相位關系如下圖。
圖1 感性負荷并聯(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。因為IL與IC相位相反，故IL減小到I'L，而IH與IL的合成電流I2小于電容器補償前I1的值，功率因數(shù)也由cosφ1提高到cosφ2，可得電容器補償后的無功功率為Q2=Q1-QC。
3 電容器無功補償效益分析
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)電壓質量。動力部在2011年10月新上電容器補償裝置24000kvar，對全廠35KV系統(tǒng)進行無功功率集中補償，將高壓電容器組集中裝在35KV高壓開關站內。補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償裝置前后四個月數(shù)據的研究，對無功補償?shù)男б鎻囊韵聨讉€方面進行分析。
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償裝置后，動力部熱電系統(tǒng)總進線功率因數(shù)提高了1.3個百分點。功率因數(shù)提高后，電費開支大幅減少。補償前，由于熱電系統(tǒng)功率因數(shù)達不到電業(yè)局的要求(電業(yè)局要求0.9以上，若低于0.9加收費用，若高于0.9，將按高出百分點減免電費)，經常被罰款。動力部安裝電容器補償裝置后，不但沒有罰款，每月還獲得相應額度的獎勵。
根據電力系統(tǒng)供電方式的無功經濟量計算方法，每安裝1000kvar并聯(lián)電容器裝置，當處在功率因數(shù)為0.9時，無功經濟當量為0.062千瓦/千乏，則每小時可節(jié)電62度，用電容器總容量為24000kvar折算，節(jié)電為1500度，全年按實際運行8700小時計算，可節(jié)電130萬度，每度電成本按0.53元計算，全年節(jié)電價值為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減小，從而節(jié)省了能耗，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。當電流通過電阻為R的線路時，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
動力部高壓變壓器一共6臺，2臺系統(tǒng)側高壓變110KV/35KV，3臺發(fā)電機-變壓6KV/35KV，1臺高備變110KV/35KV，投入電容器無功補償后，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。經統(tǒng)計，35kV系統(tǒng)實施功率因數(shù)補償措施后，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)電機側變壓器工作于高負荷狀態(tài)下，當停機后，由于熱脹冷縮，發(fā)電機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。目前動力部技術組正在尋找解決方案。
3.4挖掘發(fā)電設備潛力
3.4.1提高發(fā)電機功率因數(shù)
在發(fā)電機容量不變的情況下，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為電容器補償前、后的功率因數(shù)；S為用電設備的額定容量。
該企業(yè)電力系統(tǒng)采取無功補償后，動力部3臺發(fā)電機就可少發(fā)無功，多發(fā)有功，實現(xiàn)銘牌出力，而不需要將無功功率設置的過高。發(fā)電機在保證供汽情況下，動力部1#發(fā)電機、3#發(fā)電機的功率因數(shù)均達到0.92，兩臺機的有功功率根據公司實際負荷要求在4.5~5萬之間長周期、正常運行，現(xiàn)階段2臺發(fā)電機發(fā)電量超過2011年的3臺機發(fā)電量。電容器補償后一旦出現(xiàn)一臺機組甩負荷，另外兩臺機組也能快速的響應，大幅度的提高無功功率，維持系統(tǒng)電壓，在外電網出現(xiàn)短路的情況下，也能迅速補出無功缺口，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。
功率因數(shù)提高后，發(fā)電設備出力得以提升，去除了以往通過發(fā)電機組提升系統(tǒng)無功的瓶頸，發(fā)電機功率因數(shù)長期低于額定功率因數(shù)0.8的情況得以解決，長時間低功率因數(shù)運行致使發(fā)電機壽命縮短的隱患也得以去除。
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備容量S1也將相應減少，減少量△S如式（2）：
△S=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)(2)
減少供電設備容量占原容量S的百分比為
△S/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(3)
電容器投入前，動力生產管理部運行發(fā)電機的總無功發(fā)電量約為6.8萬kW，發(fā)電機功率因數(shù)平均為0.72，電容器投入后，運行發(fā)電機的總無功發(fā)電量約為4.6萬kW，發(fā)電機功率因數(shù)平均為0.95。由電容器投入前后發(fā)電機的總無功發(fā)電量可以看出，無功減少量達到2.2萬kW，電容器補償效果比較顯著。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產品概述
AZC/AZCL系列智能電容器是應用于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)和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網對無功補償?shù)母咭蟆?/p>
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。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。
4.2產品選型
AZC系列智能電容器選型：
4.3產品實物展示
5結束語
通過上述分析，采用并聯(lián)電容器實現(xiàn)無功補償?shù)男б媸遣谎远鞯?。單從費用上說，動力部新上電容器組投資近兩百萬元，預計不到五年就能收回全部投資，如果考慮到電力部門獎勵的可能，將會更短。通過對新上電容器組對無功負荷的較好補償,不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,而且可以降低網損,取得可觀的經濟效益，使電能質量、系統(tǒng)運行的安全性和經濟性結合在一起，使我廠35KV主網電氣系統(tǒng)的潛能得以充分發(fā)揮。由此可見，這個項目對企業(yè)的挖潛提效工作是有益的。
2021-01-19
[1329]
安科瑞 鮑靜君
摘要：：通過分析某石化企業(yè)新上電容器進行無功補償?shù)慕洕?，表明電容器無功補償裝置可調整系統(tǒng)進線下網功率因數(shù)，達到很好功率因數(shù)，進而實現(xiàn)挖掘發(fā)電設備潛力，做到節(jié)能降耗，充分提高企業(yè)的經濟效益。
關鍵詞：無功功率補償；功率因數(shù)；經濟效益
該企業(yè)動力生產管理部新上電容器補償裝置投入前，35KV系統(tǒng)無功來源有兩個，一是取自吉利變電站110KV，即總進線系統(tǒng)無功，二是靠三臺發(fā)電機組多發(fā)無功功率。目前，35kV系統(tǒng)總無功負荷約27MVAR，當吉利變電站出現(xiàn)故障或動力部的發(fā)電機事故解列時都會導致35kV系統(tǒng)無功嚴重缺乏，末端壓降大，系統(tǒng)損耗大，無法正常啟動大型電動設備，對生產造成較大影響。
動力部作為企業(yè)供電的總站，35KV主網系統(tǒng)的經濟和運行日益受到重視。降低網損，提高電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電效率和電力系統(tǒng)運行的經濟性是我廠面臨的實際問題，也是我廠減少電力能耗的主要方向之一。因此，在35KV系統(tǒng)中根據實際情況采用無功補償裝置，提高功率因數(shù)，降低網損，提高電能質量和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性具有重要意義。
1無功補償概述
電力系統(tǒng)無功補償裝置大多是針對某個節(jié)點進行無功補償。這是因為無功的產生不消耗電能，但是無功功率沿電力網傳送卻能引起電壓損耗和功率損耗。傳統(tǒng)的無功補償裝置主要為同步調相機和并聯(lián)電容器。這兩者相比，并聯(lián)電容器是無功補償領域中應用廣泛的補償裝置，它具有補償簡單經濟、靈活方便和應用范圍廣等優(yōu)點，而電容補償主要補償固定的無功，如果采用電容分組投切能夠更好地適應負荷無功的動態(tài)變化，這是一種有級無功調節(jié)。
因此，通過電容器補償無功功率，可以提高系統(tǒng)運行電壓，提高用戶處的電壓質量，改變電力網的無功潮流分布，減少網絡中的功率損耗和電壓損耗
2 電容器補償原理及意義
該企業(yè)的用電負荷多為電力變壓器、輸電線路電感和下級裝置的各電壓等級電動機，這些大部分屬于感性負載，在運行過程中需向這些設備提供相應的無功功率。感性負荷造成電網功率因數(shù)低，增加電網能耗，影響發(fā)電機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。所以對電網進行無功功率補償是該企業(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臺發(fā)電機、110KV外網系統(tǒng)，單靠發(fā)電機、外線路是不能滿足系統(tǒng)對無功電力的需求。一是外電網響應慢，二是動力部3臺發(fā)電機為保證110KV線路功率因數(shù)，都運行在高無功功率狀態(tài)，事故情況下補償裕度非常有限，因此通過新上電容器組進行無功補償是很好的選擇。
根據電路原理，電流在電感元件中作功時，電流滯后于電壓90o。而電流在電容元件中作功時，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。感性負荷的有功電流IH與電壓U同相位，假設電感和電容的合成電流為I1，無功功率為Q1，功率因數(shù)cosφ1，各相量的相位關系如下圖。
圖1 感性負荷并聯(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。因為IL與IC相位相反，故IL減小到I'L，而IH與IL的合成電流I2小于電容器補償前I1的值，功率因數(shù)也由cosφ1提高到cosφ2，可得電容器補償后的無功功率為Q2=Q1-QC。
3 電容器無功補償效益分析
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)電壓質量。動力部在2011年10月新上電容器補償裝置24000kvar，對全廠35KV系統(tǒng)進行無功功率集中補償，將高壓電容器組集中裝在35KV高壓開關站內。補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償裝置前后四個月數(shù)據的研究，對無功補償?shù)男б鎻囊韵聨讉€方面進行分析。
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償裝置后，動力部熱電系統(tǒng)總進線功率因數(shù)提高了1.3個百分點。功率因數(shù)提高后，電費開支大幅減少。補償前，由于熱電系統(tǒng)功率因數(shù)達不到電業(yè)局的要求(電業(yè)局要求0.9以上，若低于0.9加收費用，若高于0.9，將按高出百分點減免電費)，經常被罰款。動力部安裝電容器補償裝置后，不但沒有罰款，每月還獲得相應額度的獎勵。
根據電力系統(tǒng)供電方式的無功經濟量計算方法，每安裝1000kvar并聯(lián)電容器裝置，當處在功率因數(shù)為0.9時，無功經濟當量為0.062千瓦/千乏，則每小時可節(jié)電62度，用電容器總容量為24000kvar折算，節(jié)電為1500度，全年按實際運行8700小時計算，可節(jié)電130萬度，每度電成本按0.53元計算，全年節(jié)電價值為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減小，從而節(jié)省了能耗，有利于系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。當電流通過電阻為R的線路時，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
動力部高壓變壓器一共6臺，2臺系統(tǒng)側高壓變110KV/35KV，3臺發(fā)電機-變壓6KV/35KV，1臺高備變110KV/35KV，投入電容器無功補償后，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。經統(tǒng)計，35kV系統(tǒng)實施功率因數(shù)補償措施后，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)電機側變壓器工作于高負荷狀態(tài)下，當停機后，由于熱脹冷縮，發(fā)電機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。目前動力部技術組正在尋找解決方案。
3.4挖掘發(fā)電設備潛力
3.4.1提高發(fā)電機功率因數(shù)
在發(fā)電機容量不變的情況下，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為電容器補償前、后的功率因數(shù)；S為用電設備的額定容量。
該企業(yè)電力系統(tǒng)采取無功補償后，動力部3臺發(fā)電機就可少發(fā)無功，多發(fā)有功，實現(xiàn)銘牌出力，而不需要將無功功率設置的過高。發(fā)電機在保證供汽情況下，動力部1#發(fā)電機、3#發(fā)電機的功率因數(shù)均達到0.92，兩臺機的有功功率根據公司實際負荷要求在4.5~5萬之間長周期、正常運行，現(xiàn)階段2臺發(fā)電機發(fā)電量超過2011年的3臺機發(fā)電量。電容器補償后一旦出現(xiàn)一臺機組甩負荷，另外兩臺機組也能快速的響應，大幅度的提高無功功率，維持系統(tǒng)電壓，在外電網出現(xiàn)短路的情況下，也能迅速補出無功缺口，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。
功率因數(shù)提高后，發(fā)電設備出力得以提升，去除了以往通過發(fā)電機組提升系統(tǒng)無功的瓶頸，發(fā)電機功率因數(shù)長期低于額定功率因數(shù)0.8的情況得以解決，長時間低功率因數(shù)運行致使發(fā)電機壽命縮短的隱患也得以去除。
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備容量S1也將相應減少，減少量△S如式（2）：
△S=S-S1=P(1/cosφ-1/cosφ1)(2)
減少供電設備容量占原容量S的百分比為
△S/S=(cosφ1-cosφ)/cosφ1=(1-cosφ/cosφ1)(3)
電容器投入前，動力生產管理部運行發(fā)電機的總無功發(fā)電量約為6.8萬kW，發(fā)電機功率因數(shù)平均為0.72，電容器投入后，運行發(fā)電機的總無功發(fā)電量約為4.6萬kW，發(fā)電機功率因數(shù)平均為0.95。由電容器投入前后發(fā)電機的總無功發(fā)電量可以看出，無功減少量達到2.2萬kW，電容器補償效果比較顯著。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產品概述
AZC/AZCL系列智能電容器是應用于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)和電能質量的新一代無功補償設備。它由智能測控單元，晶閘管復合開關電路，線路保護單元，兩臺共補或一臺分補低壓電力電容器構成?？商娲Ｒ?guī)由熔絲、復合開關或機械式接觸器、熱繼電器、低壓電力電容器、指示燈等散件在柜內和柜面由導線連接而組成的自動無功補償裝置。具有體積更小，功耗更低，維護方便，使用壽命長，可靠性高的特點，適應現(xiàn)代電網對無功補償?shù)母咭蟆?/p>
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。通過內部晶閘管復合開關電路，自動尋找投入（切除）點，實現(xiàn)過零投切，具有過壓保護、缺相保護、過諧保護、過溫保護等保護功能。
4.2產品選型
AZC系列智能電容器選型：
4.3產品實物展示
5結束語
通過上述分析，采用并聯(lián)電容器實現(xiàn)無功補償?shù)男б媸遣谎远鞯?。單從費用上說，動力部新上電容器組投資近兩百萬元，預計不到五年就能收回全部投資，如果考慮到電力部門獎勵的可能，將會更短。通過對新上電容器組對無功負荷的較好補償,不僅可以維持電壓水平和提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,而且可以降低網損,取得可觀的經濟效益，使電能質量、系統(tǒng)運行的安全性和經濟性結合在一起，使我廠35KV主網電氣系統(tǒng)的潛能得以充分發(fā)揮。由此可見，這個項目對企業(yè)的挖潛提效工作是有益的。
