无功补偿的必要性

一、无功补偿的必要性现代化的企业中，电动机等感性负荷占据相当大比重，为了保证电动机拖动系统的可靠性，在选择电动机的时候，往往容量偏大，出现“大马拉小车”的现象，使电机的负荷率降低，造成功率因数和效率下降。电机的最高效率一般在75％至满负荷期间出现，而它的功率因数则在满负荷时最高。它们在消耗有功功率的同时，也需要吸收大量无功功率。无功功率的出现不仅导致发电机出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网损，严重影响供电质量。解决这一问题，目前主要措施是增容，即扩大变压器和配电线路容量，从而提高供电能力。但是，增容投资大，施工工程量大，周期长。无功补偿对企业的节能降耗意义非常大。假如COSØ=0.7，则SINØ=0.71，此时整个配电室有功功率与无功功率基本相等，输电线路、变压器的负载有一半是无功功率，况且线路、变压器的损耗与电流平方成正比，这个数字非常庞大。；如果把功率因数提高到0.95以上，无功功率大大降低，节能效果显著。大部分企业对无功补偿的认识不足，仅仅是为了应付电力部门力调电价的考核，重视了变电站内的高压无功补偿，而厂区内的低压无功补偿往往不被重视，甚至忽视。部分企业动力车间为了减少故障率，减少设备的维护费用，低压无功补偿处于退出状态，功率因数偏低。部分企业认为有自备电厂，发电机可以输出无功功率，企业与电厂之间输电距离又短，降低线损意义不大，所以忽视了无功补偿。其实，降低线损仅仅是其中一个指标，管理者忽视了发电机的有效出力，如果无功就地补偿，发电机在煤耗增加不多的情况下多发有功功率，减少从网上的购电量，从节能将耗的角度来分析，企业的利润会更可观。随着节能降耗的意识加强，发电厂内部的厂用电也逐渐在进行无功补偿，提高厂变利用率，降低内部损耗。二、低压无功补偿的现状和发展低压无功补偿的发展经历了4代，第一代产品是常规的机械开关电器，自从有无功补偿开始，就一直延续到现在，目前还有很多客户在使用。这一代产品采用熔断器、接触器、热继电器控制电容器的投切。优点是价格低廉，缺点是因为浪涌电流的存在，产生一系列的问题：接触器、熔断器容易损坏，电容器涨肚等，下一张节针对这些问题，进行分析。第二代产品是半导体开关电器，即固态无触点继电器（可控硅）。可控硅必须采用进口产品，价格昂贵。这一代产品的出现，目的是解决电容器投切瞬间产生的浪涌电流。因为可控硅的导通角能在电压正玄波横轴过零点处导通，接通电路，这样电容器的充电电流即为零，没有冲击。实现了“过零投切”的同时，出现了另一个问题，即发热问题。因为可控硅PN节有压降，3～5V，大电流通过就产生一个很大的功耗，相当于电容柜内有一个大功率的电炉在发热，所以必须安装散热器，用4个风机强制风冷。目前这一代产品在机械加工行业还在应用，因为可控硅有个优点，能在毫秒内跟踪负荷的变化投切电容，所以在电焊机、行车、龙门吊车等负荷占多数的行业内还在应用，其他行业已被淘汰。第三代产品是复合开关电器，即接触器与可控硅的结合。接通与断开电容器回路采用可控硅，正常工作时采用接触器。这样解决了投切时的浪涌电流，又解决了可控硅的发热问题。但是又带来了新的问题，生产这个产品的厂家基本上是江浙一带的小型企业，为了降低成本，大部分厂家采用了国产可控硅，耐压等级为1600V，寿命短。因为晶闸管截止后所受反向峰值电压是输入电源电压峰值的两倍，最大值是额定电压的1.4倍，U=1.4*400*2=1120V，考虑到耐受电压是额定电压的2~3倍，至少要选用2500V以上的产品。但是目前国内外小容量（100A以下）晶闸管超过1600V的产品价格非常高，加上电网过电压、谐波等因素影响，造成现有复合开关中的晶闸管截止时处于电压危险区，很容易击穿破坏。第四代产品是电子继电器。因为电子产品的发展已经非常成熟，将计算机软硬件技术应用到电容器领域，采用微电子软硬件技术、微型传感器技术、现代控制技术对机械触点进行改造，采用单片机进行电压、电流的交流采样，捕捉正弦波的横轴零点，实现过零投切。实践证明，这一代产品在城农网、化工、煤炭、钢铁、造纸等实际工程收到良好的效果。以下是针对常规产品容易出现的问题，采用第四代产品提出的解决方案。三、目前低压无功补偿存在的问题和解决方案低压无功补偿的确非常重要，但是在实际应用过程中频繁出现故障，影响正常生产，增加了维护成本，困扰一线运行维护工程师，最终被退出运行。原因是什么？能否解决这些问题？1、电容器涨肚、爆炸；2、接触器、熔断器容易损坏（浪涌电流导致）；3、控制回路数量少（最多12路）；4、功率因数控制器故障，导致系统瘫痪；5、三相不平衡，传统补偿容易导致过补或欠补；6、扩容不方便；7、电容柜散热量大；8、采用一种相同容量的电容器，精度不够。√电容器涨肚、爆炸由于环境温度过高、母线电压偏高、谐波、漏电流等因素，导致电容器体内温度升高，如果不采取措施，导致电容器涨肚，最终爆炸。另外，在生产过程中，电源不稳定，有短时间停电、送电的现象，在这个过程中往往会出现电容器冒烟的情况。因此企业用户每年都要更换部分电容器，电容器涨肚、爆炸等问题一直没有得到有效解决。电力系统的室外杆上无功补偿箱经过一个夏天的高温也会有部分出现问题。解决方案：在电容器内埋入温度传感器，利用CPU采集电容器体内温度，在软件中设定过温保护定值，高于定值（58度）自动切除电容器，退出运行，确保设备不受损害。温度低于定值（53度）自动投入。另外，采用干式电容器，绝缘介质是环氧树脂。√常规产品投切涌流大，引发多项故障目前无功补偿方式是采用交流接触器投切，投电容器的时候容易产生涌流，对电容器、对电网都有冲击；切电容器的时候，交流接触器拉弧。导致如下结果：1、电容器频繁受到冲击，容量衰减，寿命降低；2、熔断器容易击穿；3、交流接触器容易损坏。工人师傅们往往抱怨“保险又爆了，接触器噪音受不了了”。电容器在接通瞬间是一个暂态短路充电过程，阻抗小，充电电流可达到很高的数值，即大家俗称的“浪涌电流”，同时伴随频率从几百到几千赫兹的振荡，对电器元件是一个严峻的考验。熔断器存在的问题：底座必须安装绝缘垫，老化后绝缘性能下降。频繁经过大电流后，底座碎裂炭化，碎片引起其他意外。另外容性电流不容易断弧，导致误动、拒动、群爆现象。如果三相只有一相熔断，就会出现三相不平衡，对电网、电容器都不利。交流接触器在投入时因为浪涌电流，触点闭合时产生火花，容易烧损触点；切断电容时，会产生电弧，电压瞬速降低，但是电流先升后将，接触器触点容易粘联，造成回路断不开。解决办法是选择大容量的接触器、电容专用接触器、串连限流电抗器。因为涌流大，熔断器容易被击穿，部分开关厂改用微型断路器（空气开关），虽然方便了，但是存在很大的隐患：微型断路器的开断能力只有4000A～6000A，如果发生相间短路，触点就会粘联，不能断开控制回路，失去保护作用，严重的时候能够导致越级跳闸，扩大故障面。解决方案：采用微电子技术，CPU对电压、电流的正弦波进行交流采样，根据功率因数的变化，当需要增加无功的时候，在电压过零点投入电容器；当需要减少无功的时候，在电流过零点切除电容器。“过零投切”技术减少了浪涌电流，以上问题也不存在了。√因控制器限制，控制级数最多12路常规控制器内部采用继电器输出，导致回路数量不能太多，目前市场上最多12路。如果超过12路，只能采用多回路并联使用，造成以下问题：1、因为接触器线圈并联，电阻减少，控制回路电流增大，长期工作容易烧毁继电器；2、多回路并联，导致每一级电容总容量增大，负荷波动时，电容频繁投切，投上去出现过补，退下来功率因数又不达标，这样就出现震荡，接触器、控制器容易损坏。解决方案：采用智能网络技术，RS-485网络通讯，解决了控制器的瓶颈，最多能达到120路，完全满足工程需要。√常规功率因数控制器易损坏，系统瘫痪目前市场上的功率因数控制器品种繁多，价格差距很大，从200元到3000元不等，质量也差距很大。控制器出现问题，整个系统瘫痪。所以在电容柜设计过程中，仪表盘上有一个“手动/自动”手柄开关，以备控制器损坏时切换到手动状态。在电力系统中，因为控制器损坏而导致整个系统退出运行的案例很多。解决方案：取消功率因数控制器这个环节，采用智能网络技术，构建485通讯网络，多台电容器并联使用，自动生成一个网络，其中地址码最小的一个为主机，其余则为从机，构成低压无功自动控制系统。个别从机故障自动退出，不影响其余工作；主机故障自动退出，在其余从机中产生一个新的主机，组成一个新的系统。485通讯接口，可以接入10KV配电自动化系统的光纤／无线通讯网络，进行配电综合管理。√三相不平衡对于单相负荷多的地方，往往会出现三相不平衡现象，中性线上电流偏大，同时也有功率因数低的情况。此时如果采用三相电容器补偿，改变不了不平衡的问题，还有可能加大不平衡度，导致负荷小的那相过补。解决方案：采用混合补偿方案，三相共补与单相补偿结合的方案。电容的结构分为两种，三角形接线的是三相共补电容器，星形接线的是分补电容器。√补偿精度不足，处于过补与欠补之间振荡单只电容器容量的选择要结合变压器的容量和负荷变化性质，如果单只电容器容量过小，导致整体投资偏大；如果单只电容器容量过大，会出现投上某一只电容器后过补，退下来一只就处于欠补状态。特别是在电动机空载状态，功率因数比较低，无功缺额不算大的情况。解决方案：常规的无功补偿柜普遍采用一种规格相同容量的电容器，但是利用微电子智能技术，可以搭配多种不同容量的电容器。CPU记录每只电容器的网络地址、容量大小，容量相同的电容器按循环投切原则，容量不同的电容器按适补原则投切，补偿效果好。√扩容不方便常规的无功补偿柜在设计初期就已经定型，每个柜子一般在200KVAR左右。随着企业规模的扩大，变压器容量的增容，无功补偿柜不能满足需求，只有更换大容量的电容柜，或者因为空间不足，无法再补偿。解决方案：智能式电容器产品体积小、接线简单，一个GGD柜最大容量可以做到800KVAR，随着用户电力负荷的增加，可以随时增加电容器的数量，改变了常规模式因接线复杂、一成不变的局限性，适应企业发展的需要，可以分期投资。还可以方便地进行容量配置调整，实现无功补偿优化：容量富余，拆卸几组；容量不足，随时补充几组。√电容补偿柜发热量大，常年开门运行电容柜热量比较大，特别是采用可控硅控制的补偿柜，附带散热器，常年开门散热。有人误解这些热量来自于电容器。其实电容器的发热量仅仅是一小部分，大部分来自于节点接触电阻的发热。以常规补偿柜为例，从控制器、熔断器、接触器、可控硅、热继电器、电容器，每路电容器需要约30个节点。一个柜内12路电容器，需要约360个节点。另外，由于维护不及时，部分节点松动，接触电阻加大，散热量可想而知。解决方案：采用智能式电容器，每两路电容器只需要3根线，6个节点，12路电容器只需要18根线。生产工时比常规模式减少80％以上，减少80％的节点，降低器件能耗、导线能耗、接点能耗，柜内温升小。